KIMIA DASAR 1 UNTUK SARJANA PENDIDIKAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Muntholib
Diterbitkan Oleh: FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI MALANG
KATA PENGANTAR Alhamdulillah, penyusunan KIMIA DASAR 1 UNTUK PROGRAM S1 PENDIDIKAN IPA ini dapat diselesaikan. Buku ini mengambil dua referensi utama, yaitu GENERAL CHEMISTRY: THE ESSENTIAL CONCEPTS, SIXTH EDITION (Chang and Overby, 2011) dan INTRODUCTION TO CHEMISTRY: A CONCEPTUAL APPROACH, SECOND EDITION (Bauer, Birk and Marks, 2010). Buku ini terwujud berkat kerja sama banyak pihak. Oleh sebab itu pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih yang tulus kepada: 1. Ketua Program Studi S1 Pendidikan IPA FMIPA UM, Dra. Sri Rayahu, M.Ed., Ph.D., yang telah mendorong penulis untuk menyelesaikan karya ini. 2. Bapak Prayitno yang secara konsisten mendorong, memotivasi dan meminta penulis untuk menyelesaikan pekerjaan ini dengan baik. 3. Saudari Yunilia, Amalia, Viruzi dan Oscar yang telah membantu penulis melakukan uji coba keterlaksanaan praktikum ini melalui Matakuliah Praktikum Kimia Dasar 1 untuk Mahasiswa S1 Pendidikan IPA FMIPA UM Semester 1 tahun kuliah 2012/2013. 4. Secara khusus penulis juga menyampaikan terima kasih kepada Istri Tercinta, Nurul Khumaidah, dan anak-anak tersayang, Mulki Auly Poetry, Malik Aljabar Muhammad dan Malik Al-Mizan Muhammad atas kesempatan yang diberikan sehingga penulis bisa menyelesaikan pekerjaan ini. Kepada mereka berlaku janji Allah: Barang siapa berbuat baik atas dasar iman meskipun hanya sebesar atom niscaya Allah tetap akan membalasnya dengan kebaikan kelak dihari yang tiada lagi pertolongan kecuali hanya amal shalih. Akhirnya semoga produk pengembangan ini bermanfaat dan dapat dilanjutkan untuk bahan ajar yang lain dan dengan hasil yang lebih baik. Amiin.
Malang, 8 Desember 2012 Penulis
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR .....................................................................................................
1
DAFTAR ISI ....................................................................................................................
1
BAB 1. PENDAHULUAN ...........................................................................................
1
BAB 2. ATOM, MOLEKUL, DAN ION .....................................................................
29
2.1 TEORI ATOM ..........................................................................................................
29
2.2 STRUKTUR ATOM.................................................................................................
31
Elektron .........................................................................................................................
31
Radioaktivitas...............................................................................................................
33
Proton dan Inti Atom .................................................................................................
34
Neutron .........................................................................................................................
36
2.3 Nomor Atom, Nomor Massa, dan Isotop ......................................................
37
2.4 Tabel Periodik .......................................................................................................
39
2.5 Molekul dan Ion ...................................................................................................
41
Molekul ..........................................................................................................................
41
Ion ...................................................................................................................................
41
2.6 Rumus Kimia ........................................................................................................
42
BAB 3. STOIKIOMETRI ..............................................................................................
61
BAB 4. LARUTAN ....................................................................................................... 105 BAB 5. GAS .................................................................................................................. 165
Kimia Dasar 1 |1
BAB 1. PENDAHULUAN DESKRIPSI Ilmu Kimia: Kimia adalah ilmu yang mempelajari tentang materi dan perubahanperubahannya. Unsur dan senyawa adalah zat yang ambil bagian dalam transformasi kimia. Sifat Fisika dan Kimia: Untuk mengkarakterisasi suatu zat, kita perlu mengetahui sifat fisika dan kimianya. Sifat fisika dapat diamati tanpa mengubah jenis zat, sedangkan sifat kimia hanya dapat diketahui apabila zat tersebut mengalami perubahan kimia. Pengukuran dan Satuan: Kimia adalah ilmu kuantitatif yang membutuhkan pengukuran. Ukuran kuantitas biasanya memiliki satuan yang terkait dengan kuantitas tersebut, misalnya satuan massa, volume, kerapatan, dan satuan suhu. Satuan-satuan yang digunakan dalam kimia didasarkan pada sistem internasional (SI). Penanganan Angka: Notasi ilmiah digunakan untuk mengekspresikan bilangan besar dan bilangan kecil. Setiap angka dalam pengukuran harus menunjukkan angka yang berarti yang disebut angka penting. Melakukan Hitungan Kimia: Cara sederhana dan efektif untuk melakukan perhitungan kimia adalah analisis satuan. Dalam prosedur ini, persamaan diatur sedemikian rupa sehingga semua satuan dapat dihilangkan / dicoret kecuali satuan untuk jawaban akhir.
KOMPETENSI Menentukan sifat materi dan perubahannya. Unsur dan senyawa merupakan zat yang terlibat dalam perubahan kimia. Mendeskripsikan perbedaan antara sifat fisika dan sifat kimia. Sifat fisika dapat diamati tanpa adanya perubahan identitas suatu zat sedangkan sifat kimia hanya dapat ditunjukkan melalui perubahan kimia. Mengukur kuantitas yang biasanya digunakan dalam pengukuran kimia; massa, volume, massa jenis, dan temperatur dan mengaplikasikan satuan yang berhungan dengannya. Satuan yang digunakan dalam kimia didasarkan pada sistem satuan internasional (SI). Menangani notasi ilmiah yang digunakan untuk menyatakan besar dan kecilnya bilangan dan pengukuran yang mengindikasikan angka bermakna yang dikenal dengan angka penting.
Kimia Dasar 1 |2 Melakukan perhitungan sederhana dan efektif untuk hitungan kimia; mengatur persamaan sedemikian rupa sehingga semua satuan dapat dihilangkan / dicoret kecuali satuan untuk jawaban akhir.
TUJUAN Mengetahui sifat materi dan perubahannya. Memahami perbedaan antara sifat fisika dan sifat kimia. Mengukur kuantitas yang biasanya digunakan dalam pengukuran kimia; massa, volume, massa jenis, dan temperatur dan mengaplikasikan satuan yang berhungan dengannya. Menangani notasi ilmiah yang digunakan untuk menyatakan besar dan kecilnya jumlah dan pengukuran yang mengindikasikan angka penting, gambaran yang signifikan. Melakukan perhitungan yang sederhana dan efektif to menunjukkan perhitungan kimia
1.1 Ilmu Kimia Apakah ini merupakan pelajaran kimia pertama atau bukan, yang pasti Saudara telah memiliki pengetahuan tentang kimia dan pengetahuan tentang apa yang dilakukan oleh ahli kimia. Bisa jadi, Saudara berpikir bahwa kimia dipraktekkan di laboratorium oleh orang yang mengenakan jas putih yang mempelajari hal-hal yang terjadi dalam tabung reaksi. Sampai titik tertentu, deskripsi ini baik-baik saja. Kimia terkait erat dengan eksperimental dan banyak pengetahuan kimia yang berasal dari penelitian laboratorium. Namun demikian, di samping percobaan di laboratorium, saat ini ahli kimia menggunakan komputer untuk mempelajari struktur mikroskopik dan sifat kimia zat atau memanfaatkan peralatan elektronik canggih untuk menganalisis polutan dari emisi kendaraan atau zat beracun dalam tanah. Banyak aspek dalam biologi dan kedokteran yang saat ini sedang dieksplorasi pada tingkat atom dan molekul. Kimiawan berpartisipasi dalam pengembangan obat baru dan dalam penelitian pertanian. Terlebih lagi, mereka mencari solusi terhadap masalah pencemaran lingkungan dengan cara mengganti sumber energi. Kebanyakan industri, apapun produk mereka, memiliki dasar kimia. Misalnya, kimiawan mengembangkan polimer (molekul yang sangat besar) yang digunakan oleh produsen untuk membuat berbagai macam barang kebutuhan, termasuk pakaian, peralatan memasak, organ buatan, dan mainan. Karena penggunaannya beragam, kimia sering disebut sebagai "central science."
Bagaimana Mempelajari Kimia Dibandingkan dengan mata pelajaran yang lain, kimia umumnya dianggap lebih sulit, setidaknya pada tingkat dasar. Persepsi ini memiliki beberapa alasan. Kimia memiliki kosakata yang sangat khusus. Bahkan untuk belajar pertama, belajar kimia seperti
Kimia Dasar 1 |3
belajar bahasa baru. Selain itu, konsep-konsep juga abstrak. Walaupun demikian, dengan ketekunan Saudara bisa menyelesaikan perkuliahan ini dengan sukses dan bahkan mungkin dengan menyenangkan. Berikut ini beberapa saran yang dapat Saudara gunakan untuk membentuk kebiasaan belajar yang baik dan menguasai materi: • •
Menghadiri perkuliahan secara teratur dan membuat catatan dengan baik. Jika memungkinkan, buatlah review(tinjauan) terhadap topik-topik yang Saudara pelajari dan dibahas di kelas setiap hari secara terus-menerus. Gunakan buku review ini untuk melengkapi catatan kuliah Saudara. • Berpikirlah secara kritis. Tanyakan kepada diri Saudara apakah Saudara benar-benar memahami makna istilah atau penggunaan persamaan yang Saudara pelajari. Cara yang baik untuk menguji pemahaman Saudara adalah dengan cara menjelaskan konsep tersebut kepada teman sekelas Saudara atau orang lain. • Jangan ragu untuk minta tolong kepada dosen atau asisten dosen Saudara. Saudara akan menemukan bahwa kimia tidak sekedar angka, rumus, dan teori-teori abstrak, tetapi jauh lebih bermakna dari itu semua. Kimia adalah disiplin ilmu yang logis dan penuh dengan ide-ide yang menarik dan aplikatif.
1.2 Metode Ilmiah Semua ilmu, termasuk ilmu-ilmu sosial, menggunakan suatu pendekatan sistematis dalam penelitiannya yang disebut metode ilmiah. Sebagai contoh, seorang psikolog yang ingin tahu tentang pengaruh kebisingan terhadap kemampuan orang untuk belajar kimia dan ahli kimia yang tertarik dalam mengukur panas yang dilepaskan ketika gas hidrogen terbakar di udara mengikuti prosedur yang kira-kira sama dalam melaksanakan penyelidikan mereka. Langkah pertama adalah mendefinisikan masalah. Langkah selanjutnya termasuk melakukan percobaan, membuat pengamatan yang cermat, dan merekam informasi, atau data, tentang sistem, yaitu bagian dari alam semesta yang sedang diselidiki. (Dalam contoh ini, sistem adalah sekelompok orang yang akan dipelajari psikolog dan campuran hidrogen dan udara.) Data yang diperoleh dalam studi penelitian dapat berupa data kualitatif, yang terdiri dari pengamatan umum tentang sistem, dan data kuantitatif, mencakup angka yang diperoleh dari pengukuran berbagai sistem. Ahli kimia umumnya menggunakan simbol-simbol standar dan persamaan dalam pencatatan pengukuran dan pengamatan mereka. Representasi dalam hal ini tidak hanya menyederhanakan dalam proses menyimpan catatan, tetapi juga menyediakan dasar umum untuk komunikasi dengan ahli kimia lainnya. Ketika percobaan telah selesai dan data telah dicatat, langkah berikutnya dalam metode ilmiah adalah interpretasi, yang berarti bahwa ilmuwan mencoba untuk menjelaskan fenomena yang diamati. Berdasarkan data yang dikumpulkan, peneliti merumuskan hipotesis, atau penjelasan tentatif (belum pasti) untuk satu set pengamatan. Percobaan lebih lanjut direncanakan untuk menguji validitas hipotesis dengan cara sebanyak mungkin, dan proses dimulai lagi.
STOIKIOMETRI 3
Kimia Dasar 1 |4 Setelah sejumlah data telah dikumpulkan, sering diinginkan untuk meringkas informasi dengan lebih singkat, sebagai hukum. Dalam ilmu pengetahuan, hukum adalah pernyataan verbal atau pernyataan matematis dari hubungan antara fenomena yang selalu sama di bawah kondisi yang sama. Misalnya, hukum kedua Sir Isaac Newton tentang gerak, yang mungkin Anda ingat dari SMA, mengatakan bahwa gaya sama dengan massa dikali percepatan suatu benda (F = ma). Hukum ini berarti bahwa peningkatan massa atau dalam percepatan suatu benda selalu meningkatkan gaya benda secara proporsional, dan penurunan massa atau percepatan selalu menurunkan gaya. Hipotesis yang dapat dipertahankan dengan banyak pengujian eksperimental dan banyak validitas dapat berkembang menjadi teori. Teori adalah Kesatuan prinsip yang menjelaskan tubuh fakta dan/atau hukum-hukum yang didasarkan pada mereka. Teori juga, secara terus menerus diuji. Jika suatu teori dibantah oleh eksperimen, maka harus dibuang atau diubah sehingga menjadi konsisten dengan pengamatan eksperimental. Membuktikan atau tidak membuktikan teori dapat berlangsung tahunan, bahkan berabad-abad, sebagian karena teknologi yang diperlukan tidak tersedia. Teori atom adalah contonhnya. Butuh waktu lebih dari 2000 tahun untuk keluar dari prinsip dasar kimia yang diusulkan oleh Democritus, seorang filsuf Yunani kuno. Kemajuan ilmiah jarang terjadi, jika pernah, dibuat dengan cara kaku, langkah-demilangkah. Beberapa kali hukum mengawali teori, kadang-kadang sebaliknya. Dua ilmuwan dapat mulai bekerja pada sebuah proyek dengan tujuan yang sama persis, tetapi dapat menggunakan pendekatan yang berbeda. Mereka akan dibuat dalam arah yang sangat berbeda. Para ilmuwan, setelah semua, manusia, dan cara mereka berpikir dan bekerja sangat dipengaruhi oleh latar belakang, pelatihan, dan kepribadian mereka. Perkembangan ilmu pengetahuan sudah tidak teratur dan kadang-kadang tidak masuk akal. Penemuan besar biasanya hasil dari kontribusi kumulatif dan pengalaman dari banyak pekerja, meskipun kredit untuk merumuskan teori atau hukum biasanya diberikan hanya pada satu individu. Ada, tentu saja, unsur keberuntungan yang terlibat dalam penemuan ilmiah, tetapi telah dikatakan bahwa "Kesempatan menganugerahi pikiran yang siap”. Pernyataan tersebut memberitahu bahwa dibutuhkan orang yang waspada dan terlatih untuk mengenali makna dari penemuan yang tak disengaja dan mengambil keuntungan penuh dari itu. Lebih sering dari itu, masyarakat hanya belajar dari terobosan ilmiah yang spektakuler. Untuk setiap kisah sukses, namun, ada ratusan kasus di mana para ilmuwan bertahun-tahun bekerja pada proyek-proyek yang pada akhirnya mengarah ke jalan buntu. Prestasi positif hanya datang setelah salah berbelok dan banyak pada langkah lambat yang mereka tidak pernah mulai. Namun, bahkan jalan buntu berkontribusi terhadap beberapa hal bagi perkembangan pengetahuan tentang alam semesta fisik secara kontinyu. Ini adalah bentuk cinta dari pencarian yang menjaga banyak ilmuwan di laboratorium.
1.3
Klasifikasi Materi
Kimia Dasar 1 |5
Materi adalah segala sesuatu yang menempati ruang dan memiliki massa, dan kimia adalah ilmu dari materi dan perubahan materi yang terjadi. Semua materi, setidaknya secara prinsip, dapat berada dalam tiga wujud: padat, cair, dan gas. Padatan adalah benda yang kaku dengan bentuk yang terbatas. Cairan sedikit rigid dibandingkan padatan, dapat mengalir dan mengasumsikan wadahnya. Seperti cairan, gas juga mengalir, tetapi tidak seperti cairan, gas dapat berkembang tak terbatas. Tiga wujud materi dapat berubah tanpa mengubah komposisi zat. Setelah pemanasan, padatan (misalnya, es) akan mencair membentuk cairan (air). (Temperatur di mana transisi ini terjadi disebut titik lebur.) Pemanasan lebih lanjut akan mengubah cairan menjadi gas. (Konversi ini terjadi pada titik didih cairan.) Di sisi lain, pendinginan gas akan menyebabkan gas mengembun menjadi cairan. Bila cairan didinginkan lebih lanjut, maka akan membeku menjadi bentuk padat. Gambar 1.1 menunjukkan tiga wujud air. Perhatikan bahwa air memiliki sifat yang unik di antara zat lain pada umumnya bahwa molekul dalam keadaan cair lebih mampat dibandingkan dalam keadaan padat.
Gambar 1.1 Tiga wujud materi untuk air: padatan es, air, uap air.
STOIKIOMETRI 5
Kimia Dasar 1 |6 Zat dan Campuran Zat adalah materi yang memiliki komposisi tertentu atau konstan dan sifat yang berbeda. Contohnya adalah air, perak, etanol, garam meja (natrium klorida), dan karbondioksida. Zat berbeda satu sama lain dalam komposisinya dan dapat diidentifikasi kenampakan, bau, rasa, dan sifat lainnya. Saat ini, lebih dari 20 juta zat telah diketahui, dan daftar ini akan berkembang pesat. Campuran adalah kombinasi dari dua atau lebih zat di mana zat mempertahankan identitas mereka yang berbeda. Beberapa contohnya adalah udara, minuman ringan, susu, dan semen. Campuran tidak memiliki komposisi konstan. Oleh karena itu, sampel udara yang dikumpulkan di kota-kota yang berbeda mungkin akan memiliki komposisi yang berbeda karena perbedaan ketinggian, polusi, dan sebagainya. Campuran dapat berupa campuran homogen atau heterogen. Ketika sesendok gula larut dalam air, komposisi campuran, setelah pengadukan yang cukup, adalah sama di seluruh larutan. Larutan ini merupakan campuran homogen. Jika pasir dicampur dengan serbuk besi, namun, butiran pasir dan serbuk besi tetap terlihat dan terpisah (Gambar 1.2). Jenis campuran ini, di mana komposisi yang tidak seragam, disebut campuran heterogen. Penambahan minyak ke dalam air menciptakan campuran heterogen yang lain karena cairan tidak memiliki komposisi yang konstan.
Gambar 1.2 (a) Campuran mengandung serbuk besi dan pasir, (b) Sebuah magnet memisahkan serbuk besi dari campuran. Teknik yang sama digunakan pada skala yang lebih besar untuk memisahkan besi dan baja dari benda bukan magnetik seperti aluminium, kaca, dan plastik. Setiap campuran, baik homogen atau heterogen, dapat dibuat dan kemudian dipisahkan dengan cara fisika menjadi komponen murni tanpa mengubah identitas komponen. Dengan demikian, gula dapat diperoleh kembali dari air dengan memanaskan larutan dan menguapkannya hingga kering. Kondensasi uap air akan memberikan kembali
Kimia Dasar 1 |7
komponen air. Untuk memisahkan campuran besi-pasir, kita dapat menggunakan magnet untuk menghilangkan serbuk besi dari pasir, karena pasir tidak tertarik magnet (lihat Gambar 1.2b). Setelah pemisahan, komponen dari campuran akan memiliki komposisi yang sama dan sifat mereka seperti semula.
Unsur dan Senyawa Suatu zat dapat berupa unsur atau senyawa. Unsur adalah suatu zat yang tidak dapat dipisahkan menjadi zat yang lebih sederhana dengan cara kimia. Saat ini, 117 unsur telah diidentifikasi secara positif. (Lihat daftar di dalam sampul depan buku ini.) Ahli kimia menggunakan simbol abjad untuk mewakili nama-nama unsur. Huruf pertama dari simbol untuk sebuah unsur selalu berupa huruf kapital, tetapi huruf kedua tidak pernah huruf kapital. Misalnya, Co adalah simbol untuk unsur kobalt, sedangkan CO adalah rumus untuk karbon monoksida, yang terdiri dari unsur-unsur karbon dan oksigen. Tabel 1.1 menunjukkan beberapa unsur yang lebih umum. Simbol untuk beberapa unsur berasal dari nama Latin mereka, misalnya, Au dari aurum (emas), Fe dari ferrum (besi), dan Na dari natrium (sodium), meskipun sebagian besar dari mereka adalah bentuk singkatan dari nama bahasa Inggris mereka.
Table 1.1 Nama Aluminum Arsenic/Arsen Barium/Barium Bromine/Bromin Calcium/Kalsium Carbon/Karbon Chlorine/Klorin Chromium /Kromium Cobalt/Kobalt Copper/Tembaga
Beberapa Unsur dan Simbolnya Simbol Nama Simbol Al Fluorine/Florin F As Gold/Emas Au Ba Hydrogen/Hidrogen H Br Iodine/Iodin I Ca Iron/Besi Fe C Lead/Timbal Pb Cl Magnesium Mg
Nama Symbol Oxygen/Oksigem O Phosphorus/Fosfor P Platinum/Platina Pt Potassium/Kalium K Silicon/Silikon Si Silver/Perak Ag Sodium/Natrium Na
Cr
Mercury/Raksa
Hg
Sulfur/belerang
S
Co Cu
Nickel/Nikel Nitrogen/Nitrogen
Ni N
Tin/Timah Zinc/Seng
Sn Zn
Gambar 1.3 menunjukkan unsur yang paling melimpah di kerak bumi dan dalam tubuh manusia. Seperti yang Saudara lihat, hanya lima unsur (oksigen, silikon, aluminium, besi, dan kalsium) terdiri dari lebih 90 persen dari kerak bumi. Dari kelima unsur tersebut, hanya oksigen yang paling melimpah dalam sistem kehidupan.
Sebagian besar unsur dapat berinteraksi dengan satu atau lebih unsur-unsur lain untuk membentuk senyawa. Kami mendefinisikan senyawa sebagai zat yang terdiri dari dua atau lebih unsur kimia yang bergabung dalam proporsi tertentu. Gas hidrogen, misalnya, terbakar dalam gas oksigen membentuk air, suatu senyawa yang sifatnya jelas STOIKIOMETRI 7
Kimia Dasar 1 |8 berbeda dari materi awal. Air terdiri dari dua bagian hidrogen dan satu bagian oksigen. Komposisi ini tidak berubah, terlepas dari apakah air berasal dari keran di Amerika Serikat, Sungai Yangtze di Cina, atau topi es di Mars. Tidak seperti campuran, senyawa dapat dipisahkan hanya dengan cara kimia menjadi komponen murni mereka.
Gambar 1.3 (a) Kelimpahan unsur di alam dalam persen massa. Sebagai contoh, kelimpahan oksigen adalah 45,5 persen. Ini berarti bahwa dalam sampel 100 g kerak bumi, rata-rata terdapat 45,5 g unsur oksigen. (b) Kelimpahan unsur dalam tubuh manusia dalam persen massa. Hubungan antara unsur, senyawa, dan kategori lainnya dari materi dirangkum dalam Gambar 1.5.
Gambar 1.4 Klasifikasi materi.
Kimia Dasar 1 |9
1.4 Sifat Fisik dan Sifat Kimia Materi Zat diidentifikasi dari sifat dan komposisi mereka. Warna, titik leleh, titik didih, dan kerapatan adalah sifat fisika. Sifat fisika dapat diukur dan diamati tanpa mengubah komposisi atau identitas suatu zat. Sebagai contoh, kita dapat mengukur titik leleh es dengan memanaskan balok es dan mencatat temperatur di mana es tersebut berubah menjadi air. Air berbeda dari es hanya dalam penampilan dan tidak dalam komposisi, jadi ini adalah perubahan fisika, kita dapat membekukan air untuk mendapatkan kembali es asli. Oleh karena itu, titik leleh zat adalah sifat fisik. Demikian pula, ketika kita mengatakan bahwa gas helium lebih ringan dari udara, kita mengacu pada sifat fisika. Di sisi lain, pernyataan "gas hidrogen terbakar dalam gas oksigen untuk membentuk air" menggambarkan sifat kimia hidrogen karena untuk mengamati sifat ini kita harus melakukan perubahan kimia, dalam hal ini pembakaran. Setelah perubahan, zat asli, gas hidrogen dan gas oksigen, akan lenyap dan secara kimia berbeda dengan air yang akan mengambil tempat mereka. Kita tidak dapat memperoleh kembali hidrogen dan oksigen dari air dengan perubahan fisika seperti mendidih atau membeku. Setiap kali kita merebus telur, kita melakukan perubahan kimia. Ketika temperatur sekitar 100°C, kuning telur dan putih telur mengalami reaksi yang mengubah tidak hanya penampilan fisik mereka tetapi susunan kimiawi mereka juga. Ketika dimakan, telur diubah lagi, oleh zat dalam tubuh yang disebut enzim. Tindakan pencernaan adalah contoh lain dari perubahan kimia. Apa yang terjadi selama proses tersebut tergantung pada sifat kimia dari enzim tertentu dan dari makanan yang terlibat. Semua sifat terukur dari materi jatuh ke dalam dua kategori: sifat ekstensif dan sifat intensif. Nilai terukur dari sifat ektensif tergantung pada seberapa banyak materi yang sedang dipertimbangkan. Massa, panjang, dan volume merupakan sifat ektensif. Lebih banyak materi berarti lebih banyak massa. Nilai dari sifat ektensif yang sama dapat ditambahkan bersama-sama. Sebagai contoh, dua sen tembaga memiliki massa gabungan yang merupakan jumlah dari massa setiap sen, dan total volume ditempati oleh air dalam dua gelas adalah jumlah volume air dalam masing-masing gelas. Nilai terukur dari sifat intensif tidak tergantung pada jumlah materi yang dipertimbangkan. Temperatur merupakan sifat intensif. Misalkan kita memiliki dua gelas air pada temperatur yang sama. Jika kita menggabungkan mereka untuk membuat kuantitas tunggal air dalam gelas besar, temperatur air dengan jumlah yang lebih besar akan sama seperti itu dalam dua gelas terpisah. Tidak seperti massa dan volume, temperatur dan sifat intensif lainnya seperti titik leleh, titik didih, dan kerapatan tidak aditif.
STOIKIOMETRI 9
K i m i a D a s a r 1 | 10 1.5 Pengukuran Studi kimia sangat bergantung pada pengukuran. Misalnya, ahli kimia menggunakan pengukuran untuk membandingkan sifat-sifat zat yang berbeda dan untuk menilai perubahan yang dihasilkan dari percobaan. Sejumlah perangkat umum memungkinkan kita untuk membuat pengukuran sederhana sifat zat: Penggaris mengukur panjang; buret, pipet, gelas ukur, dan labu ukur mengukur volume (Gambar 1.5); neraca mengukur massa; termometer mengukur temperatur. Instrumen ini memberikan pengukuran sifat makroskopis, yang dapat ditentukan secara langsung. Sifat mikroskopis, pada skala atom atau molekul, harus ditentukan oleh metode tidak langsung.
Gambar 1.5 Beberapa alat ukur yang umum ditemukan di laboratorium kimia. Alat ini tidak dgambarkan ke skala relatif terhadap satu sama lain. Kita akan membahas penggunaan alat ukur di Bab 4. Sebuah kuantitas yang diukur biasanya ditulis sebagai jumlah dengan satuan yang sesuai. Untuk mengatakan bahwa jarak antara New York dan San Francisco dengan mobil sepanjang rute tertentu adalah 5166 yang tidak berarti. Kita harus menentukan bahwa jaraknya adalah 5166 kilometer. Dalam sains, satuan sangat penting untuk menyatakan pengukuran dengan benar.
K i m i a D a s a r 1 | 11
Satuan Sistem Internasional (SI) Selama bertahun-tahun para ilmuwan mencatat pengukuran dalam satuan metrik, yang terkait secara desimal, yaitu dengan membagi 10. Akan tetapi, pada tahun 1960 General Conference of Weights and Measures (Konferensi Umum Berat dan Ukuran), otoritas internasional untuk satuan, mengusulkan sebuah sistem metrik revisi disebut Satuan Sistem Internasional (disingkat SI, dari Satuan Sistem International Perancis). Tabel 1.2 menunjukkan tujuh satuan SI dasar. Semua satuan SI dari pengukuran dapat diturunkan dari satuan-satuan dasar ini. Seperti satuan metrik, satuan SI diubah dalam bentuk desimal oleh serangkaian prefiks, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1.3. Kami menggunakan kedua unit metrik dan SI dalam buku ini.
Table 1.2
Satuan SI Dasar
Kuantitas Dasar Panjang Massa Waktu Kuat Arus Listrik Temperatur Jumlah Zat Intensitas Cahaya
Satuan meter kilogram second ampere kelvin mol candela
Table 1.3 Awalan teragigamegakilodesisentimilimikronanopiko-
Simbol m kg s A K mol cd
Awalan yang Digunakan dengan Satuan SI Simbol T G M k d c m m n p
Arti 1.000.000.000.000, or 1012 1.000.000.000, or 109 1.000.000, or 106 1.000, or 103 1/10, or 10-1 1/100, or 10 -2 1/1.000, or 10-3 1/1.000.000, or 10-6 1/1.000.000.000, or 10-9 1/1.000.000.000.000, or 10-12
Contoh 1 terameter (Tm) = 1 × 1012 m 1 gigameter (Gm) = 1 × 109 m 1 megameter (Mm) = 1 × 106 m 1 kilometer (km) = 1 × 103 m 1 desimeter (dm) = 0,1 m 1 sentimeter (cm) = 0,01 m 1 milimeter (mm) = 0,001 m 1 mikrometer (m) = 1 × 10-6 m 1 nanometer (nm) = 1 × 10-9 m 1 pikometer (pm) = 1 × 10-12 m
Perhatikan bahwa awalan metrik sederhana menyatakan jumlah: 1 mm = 1 × 10-3 m
Pengukuran yang akan sering kita gunakan dalam penelitian kimia, yaitu, waktu, massa, volume, kerapatan, dan temperatur. Massa dan Berat
STOIKIOMETRI 11
K i m i a D a s a r 1 | 12 Massa adalah ukuran kuantitas materi suatu objek. Istilah "massa" dan "berat" sering digunakan secara bergantian, meskipun, tegasnya, mereka mengacu pada kuantitas yang berbeda. Dalam istilah ilmiah, berat adalah gaya gravitasi yang diberikan pada suatu objek. Sebuah apel yang jatuh dari pohon ditarik ke bawah oleh gravitasi bumi. Massa apel adalah konstan dan tidak tergantung pada lokasi, namun beratnya tidak. Misalnya, di permukaan bulan, berat apel hanya akan seperenam dengan yang di bumi, karena massa bulan lebih kecil. Inilah sebabnya mengapa astronot mampu melompat agak bebas di permukaan bulan meskipun dengan pakaian besar dan peralatan mereka. Massa suatu benda dapat ditentukan dengan mudah dengan neraca, dan proses ini, anehnya, disebut berat. Satuan SI dasar massa adalah kilogram (kg), namun dalam kimia gram lebih kecil (g) lebih mudah digunakan: 1 kg = 1000 g = 1 × 103 g Volume Volume adalah panjang (m) potongan kubus, sehingga satuan SI turunannya adalah meter kubik (m3). Akan tetapi, umumnya ahli kimia bekerja dengan volume yang lebih kecil, seperti sentimeter kubik (cm3) dan desimeter kubik (dm3): 1 cm3 = (1×10-2 m)3 = 1×10-6 m3 1 dm3 = (1×10-1 m)3 = 1×10-3 m3 Hal biasa lainnya, satuan volume non-SI adalah liter (L). Liter adalah volume yang ditempati oleh satu desimeter kubik. Ahli kimia umumnya menggunakan L dan mL untuk volume cairan. Satu liter sama dengan 1000 mililiter (mL) atau 1000 cc: 1L = 1000 mL = 1000 cm3 = 1 dm3 dan satu millimeter sama dengan satu centimeter kubik: 1 mL = 1 cm3 Gambar 1.6 membandingkan ukuran relatif dari dua volume.
K i m i a D a s a r 1 | 13
Gambar 1.6 Perbandingan dua volume, 1 mL and 1000 mL.
Kerapatan (Massa Jenis) Kerapatan adalah massa benda dibagi dengan volumenya: 𝑲𝒆𝒓𝒂𝒑𝒂𝒕𝒂𝒏 (𝒅) =
𝒎𝒂𝒔𝒔𝒂 (𝒎)
;
𝒗𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆 (𝒗)
di mana d, m, dan V menunjukkan kerapatan, massa, dan volume masing-masing. Table 1.4 Zat Udara* Etanol Air Raksa Garam Meja Besi Emas Osmium
Kerapatan Beberapa Zat pada Temperatur 25°C Kerapatan (g/cm3) 0,001 0,79 1,00 13,6 2,2 7,9 19,3 22,6
Perhatikan bahwa kerapatan merupakan sifat intensif yang tidak tergantung pada jumlah persen massa. Alasannya adalah bahwa V meningkat sebagaimana m, sehingga rasio dari dua kuantitas selalu tetap sama untuk bahan tertentu. 3 Satuan SI turunan untuk kerapatan adalah kilogram per meter kubik (kg/m ). Satuan ini secara kaku digunakan untuk kebanyakan aplikasi kimia. Oleh karena itu, gram per sentimeter kubik (g/cm3) dan ekivalennya, gram per mililiter (g/mL), yang lebih sering digunakan untuk kerapatan padatan dan cairan. Tabel 1.4 daftar kerapatan beberapa zat. STOIKIOMETRI 13
K i m i a D a s a r 1 | 14 Skala Temperatur Ada tiga skala temperatur yang saat ini digunakan. Satuan mereka adalah °F (derajat Fahrenheit), °C (derajat Celcius), dan K (Kelvin). Skala Fahrenheit merupakan skala yang paling umum digunakan di Amerika Serikat di luar laboratorium, batas titik beku dan titik didih air secara tepat berturut-turut, 32°F dan 212°F. Skala Celcius membagi rentang antara titik beku (0°C) dan titik didih (100°C) air menjadi 100 derajat. Seperti Tabel 1.2 menunjukkan, kelvin adalah satuan SI dasar untuk temperatur, yang merupakan skala temperatur absolut. Absolut berarti bahwa nol pada skala Kelvin, dilambangkan dengan 0 K, adalah stemperatur terendah yang bisa dicapai secara teoritis. Di sisi lain, 0°F dan 0°C didasarkan pada perilaku dari zat sembarang yang dipilih. Gambar 1.7 membandingkan tiga skala temperatur tersebut.
Gambar 1.7 Perbandingan dari tiga skala temperatur: Skala Celsius, Fahrenheit, dan absolut (Kelvin). Perhatikan bahwa ada 100 divisi, atau 100 derajat, antara titik beku dan titik didih air pada skala Celcius, dan ada 180 divisi, atau 180 derajat, antara dua batas yang sama temperatur pada skala Fahrenheit. Skala Celsius sebelumnya disebut skala “Centigrade”. Perhatikan bahwa skala Kelvin tidak memiliki tanda derajat. Juga, temperaturnya dinyatakan dalam kelvin pernah bisa menjadi negatif.
Ukuran derajat pada skala Fahrenheit hanya 100/180 atau 5/9 dari derajat pada skala Celsius. Untuk mengubah derajat Fahrenheit ke derajat Celsius, kita menulis: 𝑥 𝑜𝐶 = ( 𝑜𝐹 − 32 𝑜𝐹 )𝑋
5 𝑜𝐶 9 𝑜𝐹
Apa persamaan yang digunakan untuk mengubah derajat Celsius ke derajat Fahrenheit? Baik skala Celcius dan skala Kelvin memiliki satuan yang sama besarnya, yaitu, satu derajat Celcius adalah setara dengan satu Kelvin. Penelitian eksperimental telah menunjukkan bahwa nol mutlak pada skala Kelvin setara dengan 273,15°C pada skala Celcius. Dengan demikian, kita dapat menggunakan persamaan berikut untuk mengkonversi derajat Celcius ke Kelvin:
K i m i a D a s a r 1 | 15
𝑥 𝐾 = ( 𝑜𝐶 + 273,15 𝑜𝐶 )𝑋
1𝐾 1 𝑜𝐶
1.6 Penanganan Angka Kita sudah meninjau beberapa satuan yang digunakan dalam kimia, sekarang kita berbelok ke teknik untuk penanganan angka yang terlibat dengan pengukuran, yaitu notasi ilmiah dan angka penting. Notasi Ilmiah Ahli kimia sering berurusan dengan angka yang secara ekstrim besar atau kecil. Misalnya, dalam 1 g unsur hidrogen kira-kira ada 602.200.000.000.000.000.000.000 atom hidrogen, setiap atom hidrogen memiliki massa hanya 0,00000000000000000000000166 g Angka ini sulit untuk ditangaini, dan mudah terjadi kesalahan ketika menggunakannya dalam perhitungan aritmatika. Dengan mempertimbangkan perkalian berikut: 0,0000000056 × 0,00000000048 = 0,000000000000000002688 Itu akan mudah untuk menghilangkan satu angka nol dan menambah lebih dari satu nol setelah tanda desimal. Oleh sebab itu, ketika bekerja dengan angka yang sangat besar dan kecil, kita menggunakan sebuah sistem yang disebut notasi ilmiah. Bagaimanapun juga ukuran besarnya, untuk semua angka dapat dinyatakan dalam bentuk: N ×10n Dimana N adalah angka antara 1 dan 10 dan n, eksponen, adalah bilangan bulat positif atau negatif (semua angka). Beberapa angka dinyatakan dengan cara ini dikatakan ditulis dalam notasi ilmiah. Seandainya kita diberi angka tertentu dan diminta untuk menyatakannya dalam notasi ilmiah. Secara umum, tugas ini meminta kita untuk menemukan n. Kita menghitung angka dari tempat tanda desimal sehingga harus dipindahkan supaya angka N (antara 1 dan 10). Jika tanda desimal harus dipindahkan ke kiri, maka n adalah bilangan bulat positif; jika harus dipindahkan ke kanan, n adalah bilangan bulat negatif. Contoh berikut mengilustrasikan penggunaan dari notasi ilmiah: (1) Menyatakan 568,762 dalam notasi ilmiah:
568,762 = 5,68762 × 102 Perhatikan bahwa tanda desimal dipindahkan ke kiri dua tempat dan n = 2. (2) Menyatakan 0,00000772 dalam notasi ilmiah:
0,00000772 = 7,72 × 10-6 Tanda desimal di sini dipindahkan ke kanan enam tempat dan n = -6. STOIKIOMETRI 15
K i m i a D a s a r 1 | 16
Ingat dua poin penting. Pertama, n=0 digunakan untuk bilangan yang tidak dinyatakan dalam notasi ilmiah. Misalnya, 74,6 × 100 (n =0) ekivalen dengan 74,6. Kedua, penggunaan biasanya adalah tidak termasuk superskrip ketika n=1. Dengan demikian, notasi ilmiah untuk 74,6 is 7,46 ×10 bukan 7,46 × 101. Selanjutnya, kita mempertimbangkan bagaimana notasi ilmiah ditangani dalam operasi aritmatika. Penjumlahan dan Pengurangan Untuk menjumlah atau mengurangi, kita pertama-tama menuliskan setiap kuantitaskatakan N1 dan N2 dengan eksponen sama n. Kemudian kita menggabungkan N1 dan N2; sisa eksponen adalah sama. Perhatikan contoh berikut:
Perkalian dan Pembagian Untuk mengalikan bilangan yang diekspresikan dalam notasi ilmiah, kita mengalikan N1 dan N2 seperti biasa, tetapi menambahkan eksponen secara bersamaan. Untuk membagi dengan menggunakan notasi ilmiah, kita membagi N1 dan N2 seperti biasa dan mengurangkan eksponennya. Contoh berikut menunjukkan bagaimana operasi ini dijalankan:
Angka Penting Kecuali ketika semua bilangan yang terlibat adalah bilangan bulat (sebagai contoh, dalam perhitungan jumlah siswa dalam sebuah kelas), perolehan nilai yang tepat dari kuantitas penyelidikan sering tidak mungkin. Untuk alasannya, itu penting untuk
K i m i a D a s a r 1 | 17
mengindikasikan batas kesalahan dalam pengukuran melalui pengindikasian angka secara jelas dari angka penting, yang merupakan angka berarti dalam sebuah kuantitas ukuran atau perhitungan. Ketika angka penting digunakan, digit terakhir dimengerti menjadi tidak pasti. Sebagai contoh, kita mungkin mengukur volume dari jumlah cairan yang diberikan menggunakan gelas ukur dengan skala yang memberikan ketidakpastian 1 mL dalam pengukurannya. Jika volume yang ditemukan 6 mL, maka volume sebenarnya adalah antara 5 mL hingga 7 mL. Kita menyatakan volume cairan sebagai (6 ± 1) mL. Dalam kasus ini, hanya ada satu angka penting (angka 6) yang tidak pasti plus atau minus 1 mL. Untuk keakuratan yang lebih besar, kita bida menggunakan gelas ukur yang lebih baik, sehingga volume yang kita ukur sekarang ketidakpastiannya hanya 0,1 mL. Jika sekarang volume cairan yang ditemukan 6,0 mL kita boleh mengekspresikan kuantitasnya (6,0 ± 0,1) mL, dan nilai sebenarnya berada antara 5,9 mL dan 6,1 mL. Kita dapat lebih jauh meningkatkan pengukuran alat dan memperoleh lebih angka penting, tetapi di setiap kasus, angka terakhir selalu tidak pasti; jumlah dari ketidakpastian tergantung pada alat ukur tertentu yang kita gunakan. Gambar 1.8 menunjukkan timbangan modern. Timbangan seperti ini tersedia di banyak laboratorium kimia dasar; mereka dengan mudah mengukur massa benda untuk empat tempat desimal. Sehingga, massa yang diukur biasanya akan memiliki empat angka penting (sebagai contoh, 0,8642 g) atau lebih (sebagai contoh, 3,9745 g). Menjaga jalur dari jumlah angka penting dalam pengukuran seperti memastikan massa bahwa perhitungan melibatkan data yang akan merefleksikan ketepatan pengukuran.
Gambar1.8 A single-pan balance. Petunjuk penggunaan angka penting Kita harus selalu hati-hati dalam pekerjaan ilmiah untuk menuliskan angka yang sesuai dengan angka penting. Umumnya, secara wajar mudah untuk menentukan seberapa banyak angka penting yang dimilki dengan aturan berikut: STOIKIOMETRI 17
K i m i a D a s a r 1 | 18 1. Beberapa angka yang tidak sama dengan nol adalah angka penting. Dengan demikian, 845 cm memiliki tiga angka penting, 1.234 kg memiliki empat angka penting, dan seterusnya. 2. Angka nol antara angka bukan nol adalah angka penting. Dengan demikian, 606 cm berisi tiga angka penting, 40.501 kg berisi lima angka penting, dan seterusnya. 3. Angka nol yang berada di kiri angka bukan nol bukan angka penting. Tujuan angka tersebut adalah untuk mengindikasikan penempatan tanda desimal. Sebagai contoh, 0,08 L berisi satu angka penting, 0,0000349 g berisi tiga angka penting, dan seterusnya. 4. Jika sebuah angka lebih dari 1, makan semua angka nol yang dituliskan di kanan tanda desimal dihitung sebagai angka penting. Dengan demikian, 2,0 mg memiliki dua angka penting, 40,062 mL memiliki lima angka penting, dan 3,040 dm memiliki empat angka penting. Jika angka tersebut kurang dari 1, makan hanya angka nol yang berada dia akhir bilangan dan angka nol antara angka bukan nol yang merupakan angka penting. 0,090 kg memiliki dua angka penting, 0,3005 L memiliki empat angka penting, 0,00420 menit memiliki tiga angka penting, dan seterusnya. 5. Untuk angka yang tidak mengandung tanda desimal, angka nol yang mengikutinya (yaitu, angka nol setelaj angka bukan nol terakhir) mungkin atau tidak mungkin adalah angka penting. Dengan demikian, 400 cm mungkin memiliki satu angka penting. Kita tidak dapat tahu yang man yang benar tanpa informasi lebih. Dengan menggunakan notasi ilmiah, akan tetapi, kita menghindari kembiguan ini. Dalam kasus tertentu, kita dapat mengekspresikan angka 400 sebagai 4 × 102 untuk satu angka penting, 4,0 × 102 untuk dua angka penting atau 4,00 × 102 untuk tiga angka penting. Aturan kedua yang merinci bagaimana menangani angka penting dalam perhitungan. 1. Dalam penjumlahan dan pengurangan, jawaban tidak dapat memiliki angka lebih di sebelah kanan tanda desimal dibandingkan salah satu diantaranya merupakan bilangan asli. Perhatikan contoh berikut: 89,332 + 1,1…………… satu angka setelah tanda desimal 90,432 ……… dibulatkan menjadi 90,4
2,097 -0,12 ………… dua angka setelah tanda desimal 1,977 ……… dibulatkan menjadi 1,98 Langkah pembulatan angka sebagai berikut: Untuk membulatkan angka pada tanda tertentu kita dapat menurunkan secara sederhana angka yang mengikuti jika lebih kecil dari 5. Dengan demikian, 8,724 dibulatkan menjadi 8,72 jika kita hanya ingin
K i m i a D a s a r 1 | 19
dua angkan setelah tanda desimal. Jika angka berikutnya dari pembulatan angka sama dengan atau lebih besar dari 5, kira menambahkan 1 untuk angka sebelumnya. Dengan demikian, 8,727 dibulatkan menjadi 8,73 dan 0,425 dibulatkan menjadi 0,43. 2. Dalam perkalian dan pembagian, jumlah dari angka penting di hasil akhir atau hasil bagi ditentukan dengan bilangan asli yang memilki angka terkecil dari angka penting. Contoh berikut mengilustrasikan aturan tersebut: 2,8 × 4,5039 = 12,61092 ………… dibulatkan menjadi 13 6,85 112,04
= 0,0611388789………… dibulatkan menjadi 0,0611
3. Perlu diketahui bahwa angka yang tepat didapatkan dari definisi (misalnya 1 kaki = 12 inci, dimana 12 merupakan angka pasti) atau dengan menghitung jumlah benda dapat dianggap memiliki angka tak hingga dari angka penting. Langkah pembulatan angka sebelumnya mengaplikasikan perhitungan satu langkah. Dalam perhitungan berantai, perhitungan melibatkan lebih dari satu langkah, kita dapat memperoleh jawaban yang berbeda tergantung pada seberapa kita membulatkan angka. Perhatikan perhitungan dua langkah berikut: Langkah pertama: A × B = C Langkah kedua : C × D = E Andaikan bahwa A = 3,66, B = 8,45, dan D = 2.11. tergantung pada dimana kita membulatkan C ke tiga (metode 1) atau empat (metode 2) angka penting, kita memperoleh jumlah yang berbeda untuk E: Metode 1
Metode 2
3,66 × 8,45 = 30,9 3,66 × 8,45 = 30,93 30,9 × 2,11 = 65,2 30,93 × 2,11 = 65,3 Akan tetapi, jika kita sudah menghasilkan perhitungan 3,66 × 8,45 × 2,11 pada kalkulator tanpa membulatkan angka untuk jawaban sementara, kita akan memperoleh jawaban 65,3 sebagai jawaban untuk E. Meskipun, menyimpan digit angka tambahan sebelumnya dari angka penting untuk langkah sementara membantu menghilangkan kesalahan dari pembulatan, langkah ini tidak perlu untuk kebanyakan perhitungan karena perbedaan antara jawaban biasanya sangat kecil. Sehingga, untuk kebanyakan contoh dan soal di akhir bab dimana jawaban sementara dilaporkan, semua jawaban, sementara dan akhir, akan dibulatkan.
Keakuratan dan Ketepatan Dalam diskusi pengukuran dan angka penting sangat berguna untuk membedakan antara keakuratan dan ketepatan. Keakuratan memberitahu kita seberapa dekat pengukuran terhadap nilai yang benar dari kuantitas yang diukur. Untuk seorang ilmuwan ada sebuah perbedaan antara keakuratan dan ketepatan. Ketepatan mengacu
STOIKIOMETRI 19
K i m i a D a s a r 1 | 20 pada seberapa dekatnya dua atau lebih pengukuran dari kuantitas yang sama cocok satu sama lain. (Gambar 1.9)
Gambar 1.9 Distribusi anak panah pada papan anak panah menunjukkan perbedaan antara tepat dan akurat. (a) keakuratan baik dan ketepatan baik, (b) keakuratan buruk dan katepatan baik, (c) keakuratan buruk dan ketepatan buruk. Titik biru menunjukkan posisi dari anak panah. Perbedaan antara keakuratan dan ketepatan adalah sesuatu yang tidak menonjol tetapi penting. Seandainya, sebagai contoh, tiga siswa diminta untuk menentukan massa dari sepotong kawat tembaga. Hasil dari dua penimbangan berturut-turut oleh masingmasing siswa adalah: Siswa A Siswa B Siswa C 1,964 g 1,972 g 2,000 g 1,978 g 1,968 g 2,002 g Nilai Rata-rata 1,971 g 1,970 g 2,001 g Massa yang benar dari kawat adalah 2,000 g. Sehingga, hasil siswa B lebih tepat dibandingkan hasil siswa A (1,972 g dan 1,968 g sedikit berbeda dari 1,970 g dibandingkan 1,964 g dan 1,978 g dari 1,971 g), tetapi hasil keduanya sangat tidak akurat. Hasil siswa C tidak hanya paling tepat, tetapi juga paling akurat, karena nilai rata-ratanya mendekati nilai yang benar. Pengukuran dengan keakuratan yang tinggi biasanya juga tepat. Di sisi lain, pengukuran dengan ketepatan yang tinggi belum tentu akurat. Sebagai contoh, kalibrasi meterstick secara ceroboh atau kesalahan penimbangan mungkin memberikan pembacaan ketepatan yang salah.
1.7 Bagaimana Memecahkan Masalah Saudara sudah dikenalkan pada notasi ilmiah, angka penting, dan dimensi analisis, yang akan membantu Saudara dalam memecahkan masalah numerik. Kimia melibatkan penelitian eksperimental dan banyak masalah kuantitatif di alam. Kunci sukses dalam memecahkan masalah adalah latihan. Sebagai pelari marathon tidak dapat hanya mempersiapkan perlombaan secara sederhana dengan membaca buku saat berlari dan pemain biola tidak dapat memberikan konser yang sukses hanya melalui hafalan komposisi musik, kamu tidak dapat meyakini pemahaman kimia Saudara tanpa memecahkan masalah. Langkah berikut akan membantu untuk meningkatkan kemampuan Saudara dalam pemecahan masalah numerik:
K i m i a D a s a r 1 | 21
1. Baca pertanyaan dengan seksama. Pahami informasi yang diberikan dan apa yang ditanyakan untuk dipecahkan. Seringkali sangat membantu untuk membuat sketsa/bagan yang akan membatu Saudara untuk memvisualisasikan keadaan. 2. Temukan persamaan yang mungkin yang memiliki hubungan dengan informasi yang diberikan dan kuantitas yang tidak diketahui. Terkadang, dalam memecahkan masalah akan melibatkan lebih dari satu langkah, dan Saudara mungkin diharapkan untuk mencari kuantitas dalam tabel yang tidak disediakan dalam soal. Dimensi analisis sering dibutuhkan untuk konversi. 3. Cek jawaban Saudara untuk kebenaran tanda, satuan, dan angka penting. 4. Bagian yang sangat penting dari memecahkan soal adalah memutuskan apakah jawaban tersebut beralasan (masuk akal). Itu secara relatif mudah untuk menemukan tanda yang salah atau satuan yang tidak benar. Tetapi jika jumlah (katakan 8) ditempatkan di tempat yang tidak benar dalam penyebut sebagai gantinya pembilang, jawabannya akan terlalu kecil meskipun tanda dan satuan dari kuantitas perhitungan benar. 5. Salah satu jalan untuk mengecek jawaban dengan cepat adalah membuat perkiraan “ball-park”. Idenya di sini adalah untuk membulatkan angka sedemikian rupa sehingga kita menyederhanakan perhitungan. Pendekatan ini kadang-kadang disebut “back-of-the-envelope calculation” karena dapat dilakukan dengan mudah tanpa menggunakan kalkulator. Jawaban yang Saudara dapat tidak akan tepat, tetapi akan mendekati yang benar. Ringkasan 1. Metode ilmiah merupakan sebuah pendekatan sistematis untuk penelitian yang dimulai dengan pengumpulan informasi melalui pengamatan dan pengukuran. Dalam proses ini, hipotesis, hukum, dan teori diciptakan dan diuji. 2. Ahli kimia mempelajari materi dan zat dari mana itu disusun. Semua zat, pada prinsipnya, dapat berada dalam tiga wujud: padat, cair, dan gas. Perubahan antara tiga wujud tersebut diakibatkan oleh perubahan temperatur. 3. Zat yang paling sederhana dalam kimia adalah unsur. Senyawa dibentuk oleh kombinasi atom-atom dari unsur yang berbeda. Zat mempunyai keduanya, sifat fisika yang dapat diamati tanpa adanya perubahan identitas zat tersebut, dan sifat kimia yang ketika ditunjukkan, mengubah identitas zat tersebut. 4. Satuan SI digunakan untuk menyatakan kuantitas fisik dalam sains, termasuk kimia, jumlah yang dinyatakan dalam notasi ilmiah memiliki bentuk N × 10 n , dimana N adalah antara 1 dan 10 dan n adalah bilangan bulat positif atau negatif. Notasi ilmiah membantu kita untuk menangani kuantitas yang sangat besar dan sangat kecil. Sebagian besar pengukuran kuantitas tidak teliti untuk beberapa jangkauan. Jumlah angka penting mengindikasikan ketelitian dari pengukuran. 5. Dalam metode analisis dimensi pemecahan masalah satuan dikalikan bersama-sama, dibagi satu sama lain, atau dibatalkan seperti jumlah aljabar. Mendapatkan satuan yang benar untuk jawaban akhir yang memastikan bahwa perhitungan telah dilakukan dengan benar. STOIKIOMETRI 21
K i m i a D a s a r 1 | 22
Pertanyaan dan Soal Definisi Dasar Pertanyaan mengulang 1.1 Definisikan istilah berikut: (a) materi, (b) massa, (c) berat, (d) zat, (e) campuran. 1.2 Manakah dari pernyataan ini yang secara ilmiah benar? “Massa dari siswa adalah 56 kg.” “Berat dari siswa adalah 56 kg.” 1.3 Berikan sebuah contoh dari campuran homogen dan sebuah contoh dari campuran heterogen. 1.4 Apa perbedaan antara sifat fisika dan sifat kimia? 1.5 Berikan sebuah contoh dari sifat insensif dan sebuah contoh dari sifat ekstensif. 1.6 Definisikan istilah berikut: (a) unsur, (b) senyawa. Soal 1.7 Pernyataan ini mendeskripsikan sifat fisika atau sifat kimia? (a) Gas oksigen membantu pembakaran. (b) Pupuk membantu meningkatkan hasil pertanian. (c) Air mendidih di bawah 100C di pegunungan. (d) Uranium merupakan unsur radioaktif. 1.8 Deskripsi ini merupakan perubahan fisika atau perubahan kimia? (a) Gas helium dalam balon cenderung bocor setelah beberapa jam. (b) Lampu senter lambat laun akan redup dan akhirnya mati. (c) Jus jeruk beku dikembalikan ke bentuksemula dengan menambahkan air ke dalamnya. (d) Pertumbuhan tanaman tergantung energi matahari dalam proses yang disebut fotosintesis. (e) Satu sendok garam larut dalam semangkuk sup. 1.9 Manakah dari sifat ini yang intensif dan manakah yang ekstensif? (a) panjang, (b) volume, (c) temperatur, (d) massa. 1.10 Manakah dari sifat ini yang intensif dan manakah yang ekstensif? (a) luas, (b) warna, (c) densitas. 1.11 Klasifikasikan masing-masing zat ini sebagai unsur atau senyawa: (a) hidrogen, (b) air, (c) emas, (d) gula. 1.12 Klasifikasikan masing-masing zat ini sebagai unsur atau senyawa: (a) natrium klorida (garam dapur), (b) helium, (c) alckhol, (d) platina. Satuan Pertanyaan Mengulang 1.13 Berikan satuan SI untuk ekspresi ini: (a) panjang, (b) luas, (c) volume, (d) massa, (e) waktu, (f) gaya, (g) energi, (h) temperatur.
K i m i a D a s a r 1 | 23
1.14 Tuliskan bilangan untuk awalan ini: (a) mega-, (b) kilo-, (c) desi-, (d) centi-, (e) mili-, (f) mikro-, (g) nano-, (h) piko-. 1.15 Definisikan kerapatan. Satuan apa yang secara normal digunakan oleh ahli kimia untuk kerapatan? Kerapatan termasuk sifat insensif atau ekstensif? 1.16 Tuliskan persamaan untuk mengubah derajat Celsius ke derajat Fahrenheit dan derajat fahrenheit ke derajat Celsius. Soal 1.17 Sebuah bola timah memiliki massa 1,203 × 104 g, dan volumenya 1,053 × 103 cm3 . Hitung kerapatannya. 1.18 Air raksa adalah logam yang dalam temperatur kamar berupa cairan. Kerapatannya 13,6 g/mL. Berapa gram air raksa yang akan menempati volume 95,8 mL? 1.19 (a) secara normal, tubuh manusia dapat bertahan pada temperatur 105°F hanya untuk jangka waktu pendek tanpa bahaya permanen pada otak dan organ vital lainnya. Berapa temperatur tersebut dalam derajat Celsius? (b) Etilen glikol adalah cairan senyawa organik yang digunakan sebagai anti beku dalam radiator mobil. Itu membeku pada 211,5°C. Hitung temperatur pembekuan tersebut dalam derajat Fahrenheit. (c) Temperatur pada permukaan matahari kira-kira 6300°C. Berapa temperatur tersebut dalam derajat Fahrenheit? (d) Temperatur dari kertas yang dibakar adalah 451°F. Berapa temperatur tersebut dalam derajat Celsius? 1.20 (a) Ubah temperatur berikut ke Kelvin: (i) 113°C, titik leleh belerang, (ii) 37°C, temperatur normal tubuh, (iii) 357°C, titik didih air raksa. (b) Ubah temperatur berikut ke derajat Celsius: (i) 77 K, titik didih cairan nitrogen, (ii) 4.2 K, titik didih cairan helium, (iii) 601 K, titik leleh timah. Notasi Ilmiah Soal 1.21 Ekspresikan bilangan ini dalam notasi ilmiah: (a) 0,000000027, (b) 356, (c) 0,096. 1.22 Ekspresikan bilangan ini dalam notasi ilmiah: (a) 0,749, (b) 802,6, (c) 0,000000621. 1.23 Ubah ini ke bukan notasi ilmiah: (a) 1,523 × 104, (b) 7,78 × 10-8. 1.24 Ubah ini ke bukan notasi ilmiah: (a) 3,256 × 10-5, (b) 6.03 × 106. 1.25 Ekspresikan jawaban ini dalam notasi ilmiah: (a) 145,75 + (2,3 × 10-1) (b) 79,500 : (2,5 × 102) (c) (7,0 × 10-3) - (8,0 × 10-4) (d) (1,0 × 104) × (9.9 × 106) 1.26 Ekspresikan jawaban ini dalam notasi ilmiah: (a) 0,0095 + (8,5 × 10-3) STOIKIOMETRI 23
K i m i a D a s a r 1 | 24 (b) 653 : (5,75 × 10-8) (c) 850,000 - (9,0 × 105) (d) (3,6 × 10-4) × (3,6 × 106) Angka Penting Soal 1.27 Berapa jumlah angka penting dalam masing-masing pengukuran kuantitas berikut? (a) 4867 mil, (b) 56 mL, (c) 60.104 ton, (d) 2900 g. 1.28 Berapa jumlah angka penting dalam masing-masing pengukuran kuantitas berikut? (a) 40,2 g/cm3, (b) 0,0000003 cm, (c) 70 menit, (d) 4,6 ×1019 atom. 1.29 Langsungkan operasi ini, anggaplah adalah perhitungan dari hasil percobaan, dan ekspresikan masing-masing jawaban dalam satuan yang benar dan dengan jumlah angkaa penting yang benar: (a) 5,6792 m + 0,6 m + 4,33 m (b) 3,70 g - 2,9133 g (c) 4,51 cm × 3,6666 cm (d) (3 × 104 g + 6,827 g)/(0,043 cm3 - 0,021 cm3) 1.30 Langsungkan operasi ini, anggaplah adalah perhitungan dari hasil percobaan, dan ekspresikan masing-masing jawaban dalam satuan yang benar dan dengan jumlah angkaa penting yang benar: (a) 7,310 km : 5,70 km (b) (3,26 × 10-3 mg) - (7,88 × 10-5 mg) (c) (4,02 × 106 dm) + (7,74 × 107 dm) (d) (7,8 m - 0.34 m)/(1,15 s + 0,82 s) Analisis Dimensi Soal 1.31 Lakukan konversi: (a) 22,6 m ke dm, (b) 25,4 mg ke kg. 1.32 Lakukan konversi: (a) 242 lb ke mg, (b) 68,3 cm3 ke m3. 1.33 Harga emas pada hari tertentu di tahun 2009 adalah $932 per troy ounce. Berapa harga 1,00 g emas hari itu? (1 troy ounce = 531,03 g.) 1.34 Tiga siswa (A, B, dan C) diminta untuk menentukan volume sampel metanol. Masing-masing siswa mengukur volume tiga kali dengan gelas ukur. Hasil dalam mililiter adalah: A (47,2; 48,2; 47,6); B (46,9; 47,1; 47,2); C (47,8; 47,8; 47,9). volume metanol sebenarnya adalah 47,0 mL. Siswa mana yang paling akurat? Siswa mana yang paling tepat? 1.35 Tiga siswa (X, Y, and Z) diberi tugas menentukan massa sampel besi. Masingmasing siswa membuat tiga penentuan dengan menggunakan timbangan. Hasil dalam gram adalah: X (61,5; 61,6; 61,4); Y (62,8; 62,2; 62,7); Z (61,9; 62,2; 62,1). Massa besi sebenarnya adalah 62,0 g. Siswa mana yang paling tidak tepat? Siswa mana yang paling akurat? 1.36 Pejoging lambat berlari satu mil dalam 13 menit. Hitung kecepatannya dalam: (a) inci/s, (b) m/menit, (c) km/jam. (1 mil = 51.609 m; 1 in = 2,54 cm.)
K i m i a D a s a r 1 | 25
1.37 Lakukan konversi ini: (a) 6,0 ft orang memiliki berat 168 lb. Ekspresikan tinggi orang ini dalam meter dan beratnya dalam kilogram. (1 lb = 453,6 g; 1 m = 3,28 ft). (b) Batas kecepatan saat ini di beberapa negara bagian di Amerika Serikat adalah 55 mil per jam. Berapa batas kecepatan dalam kilometer per jam? (c) Kecepatan cahaya adalah 3,0 ×1010 cm/s. Berapa mil melakukan perjalanan cahaya dalam 1 jam? (d) Timbal adalah zat beracun. Timbal "normal" memimpin isi dalam darah manusia sekitar 0,40 bagian per juta (yaitu, 0,40 g timbal per juta gram darah). Sebuah nilai dari 0,80 bagian per juta (ppm) dianggap berbahaya. Berapa gram timbal yang terkandung dalam 6,0 × 103 g darah (jumlah rata-rata pada orang dewasa) jika kandungan timbalnya adalah 0,62 ppm? 1.38 Lakukan konversi ini: (a) Tahun cahaya untuk mil (satu tahun cahaya adalah ukuran astronomi dari jarak yang ditempuh oleh cahaya dalam satu tahun, atau 365 hari), (b) 32,4 yd ke sentimeter, (c) 3 × 1010 cm/s ke ft/s, (d) 47,4F ke derajat Celsius, (e) -273,15C (temperatur terendah) ke derajat Fahrenheit, (f) 71,2 cm3 ke m3, (g) 7,2 m3 ke liter. 1.39 Aluminium adalah logam yang ringan (kerapatan = 2,70 g/cm3) digunakan dalam konstruksi pesawat terbang, jalur transmisi daya tinggi, dan foil. Berapa kerapatannya dalam kg/m3? 1.40 Kerapatan gas amoniak di bawah kondisi tertentu adalah 0,625 g/L. Hitung kerapatannya dalam g/cm3. Soal Tambahan 1.41 Manakah dari deskripsi yang termasuk sifat fisika dan yang termasuk sifat kimia? (a) Besi cenderung untuk berkarat. (b) Hujan da daerah industri cenderung bersifat asam. (c) Molekul Hemoglobin berwarna merah. (d) Ketika segelas air dibiarkan di bawah terik matahai, air berangsur-angsur menghilang. (e) Karbondioksida di udara diubah ke molekul yang lebih kompleks oleh tanaman selama fotosintesis. 1.42 Pada tahun 2004, kira-kira 87,0 miliyar pon asam sulfat diproduksi di Amerika Serikat. Ubah kuantitas ini ke ton. 1.43 Seandainya skala temperatur baru diciptakan yang titk leleh etanol (-117.3°C) dan titik didih etanol (78.3°C) diambil sebagai 0°S dan 100°S, berturut-turut, dimana S adalah simbol untuk skala temperatur baru. Turunkan hubungan persamaan pembacaan pada skala ini untuk pembacaan skala Celsius. Apa yang akan termometer baca pada 25°C? STOIKIOMETRI 25
K i m i a D a s a r 1 | 26 1.44 Dalam penentuan kerapatan batang logam berbentuk persegi, seorang siswa membuat pengukuran berikut: panjang 8,53 cm; lebar, 2,4 cm; tinggi, 1,0 cm; massa, 52,7064 g. Hitung kerapatan logam untuk jumlah angka penting yang benar. 1.45 Hitung massa dari masing-masing: (a) bola emas dengan jari-jari 10,0 cm [volume bola dengan jari-jari r adalah V= (4/3 r3; kerapatan emas = 19,3 g/cm3), (b) kubus platinum dengan panjang tepi 0,040 mm (kerapatan platina = 21,4 g/cm3), (c) 50,0 mL etanol (kerapatan etanol = 0,798 g/mL). 1.46 Tabung gelas silinder sepanjang 12,7 cm dipenuhi dengan air raksa. Massa air raksa yang dibutuhkan untuk memenuhi tabung ditemukan sebesar 105,5 g. Hitung diameter dalam tabung. (kerapatan air raksa = 13,6 g/mL.) 1.47 Prosedur ini dilakukan untuk menentukan volume dari labu. Labu ditimbang dalam keadaan kering kemudian diisi penuh dengan air. Jika massa labu kosong dan labu penuh adalah 56,12 g dan 87,39 g, berturut-turut, dan kerapatan air 0,9976 g/cm3, hitung volume labu dalam sentimeter kubik (cm3). 1.48 Perak (Ag) seberat 194,3 g ditempatkan ke dalam gelas ukur yang berisi 242,0 mL air. Volume air sekarang terbaca 260,5 mL. Dari data ini, hitung kerapatan perak. 1.49 Percobaan yang dideskripsikan pada masalah 1.48 bersifat kasar tetapi mudah digunakan untuk menentukan kerapatan beberapa padatan. Deskripsikan percobaan yang mirip untuk mengukur kerapatan es. Secara spesifik, apa saja keperluan untuk cairan yang digunakan dalam percobaanmu? 1.50 Kecepatan bunyi di udara pada temperatur ruang kira-kira 343 m/s. Hitung kecepatan dalam mil per jan (mph). 1.51 Termometer medisinal biasanya digunakan di rumah dapat membaca hingga ±0.1°F, sedangkan di kantor dokter mungkin keakuratannya hingga ±0.1°C. dalam derajat Celsius, ekspresikan temperatur badan dari 38,9°C . 1.52 Sebuah termometer memberikan pembacaan 24,2°C ± 0,1°C. hitung temperatur dalam derajat Fahrenheit. Apa itu ketidakpastian? 1.53 Vanili (digunakan untuk memberi cita rasa es krim vanila dan makanan lainnya) adalah zat yang beraroma mendeteksi dalam jumlah terkecil. Ambang batas adalah 2,0 × 10-11 g per liter udara. Jika harga saat ini dari 50 g vanili adalah $112, tentukan harga untuk mensuplai cukup vanili sehingga bau dapat terdeteksi di bangsal pesawat terbang dari volume 5,0 × 107 ft3. 1.54 Orang dewasa yang beristirahat membutuhkan kira-kira 240 mL oksigen murni/menit dan bernafas kira-kira 12 kali per menit. Jika penghirupan udara berisi 20 persen volume oksigen dan penghembusan udara 16 persen, berapa volume udara tiap bernafas? 1.55 Volume air laut total adalah 1,5 × 1021 L. Asumsikan air laut mengandung 3,1 persen massa natrium klorida dan kerapatannya 1,03 g/mL. Hitung massa total natrium klorida dalam kilogram dan dalam ton. (1 ton = 2000 lb; lb = 453,6 g.) 1.56 Magnesium (Mg) adalah logam berharga yang digunakan dalam aloi, baterai, dan sintesis kimia. itu sebagian besar didapat dari air laut, yang mengandung kira-kira 1,3 g Mg untuk setiap kg air laut. Hitung volume air laut (dalam liter) yang
K i m i a D a s a r 1 | 27
1.57
1.58 1.59 1.60
diperlukan untuk mengekstrak 8,0 × 104 ton Mg, yang produksi kasar tiap tahun di Amerika Serikat. (Kerapatan air laut = 1,03 g/mL.) Seorang siswa diberi krusibel dan diminta untuk membuktikan apakah itu terbuat dari platina murni. Pertama, dia menimbang krusibel di udara kemudian menimbangnya digantung dalam air (kerapatan = 0.9986 g/cm3). Pembacaannya berturut-turut adalah 860,2 g dan 820,2 g. Kerapatan platina adalah 21,45 g/cm3, seharusnya apa kesimpulannya berdasarkan pengukuran ini? (Petunjuk: sebuah benda yang digandul dalam sebuah cairan mengapung dengan massa cairan berkurang dari bendanya. Abaikan kekuatan mengapung udara) Pada temperatur berapa pembacaan numerik pada termometer Celsius sama dengan termometer Fahrenheit? Luas permukaan dan kedalaman rata-rata Laut Pasifik berturut-turut adalah 1,8 × 108 km2 and 3,9 × 103 m. Hitung volume air dalam laut dalam liter. Persen kesalahan sering diekspresikan sebagai nilai absolut dari perbedaan antara nilai sebenarnya dan nilai percobaan, dibagi nilai sebenarnya: persen kesalahan =
1.61
1.62
1.63
1.64
Nilai sebenarnya − Nilai pada percobaan × 100% Nilai sebenarnya
dimana garis vertikal mengindikasikan nilai absolut. Hitung persen kesalahan untuk pengukuran ini: (a) kerapatan alkohol (etanol)yang ditemukan sebesar 0,802 g/mL. (nilai sebenarnya: 0,798 g/mL.) (b) massa emas dalam anting yang dianalisis 0,837 g (nilai sebenarnya: 0,864 g.). Osmium (Os) adalah dikenal sebagai unsur paling padat (kerapatan = 22,57 g/cm3). Hitung massa dalam pon dan kilogram dari bola Os 15 cm dalam diameter (kira-kira seukuran buah anggur). Lihat soal 1.45 untuk volume bola. 1,0 mL volume air laut mengandung kira-kira 4,0 × 10-12 emas. Volume total air laut adalah 1,5×1021 L. Hitung jumlah total emas dalam gram yang terdapat dalam air laut dan harganya dalam dolar, asumsikan bahwa harga emas adalah $930 per ons. Dengan banyak emas di sana, mengapa belum ada seorangpun yang kaya dengan menambang emas dari lautan? Lapisan tipis kulit bumi, disebut kerak, mengandung hanya 0,50 persen dari massa total bumi namun merupakan sumber hampir semua unsur (atmosfer menyediakan unsur seperti oksigen, nitrogen, dan beberapa gas lainnya). Silikon (Si) adalah unsur kedua yang kelimpahannya terbanyak di kerak bumi (27,2 persen massa). Hitung massa silikon dalam kilogram di kerak bumi. (Massa bumi 5,9 × 1021 ton. 1 ton = 200 lb; 1 lb = 453,6 g.) Diameter atom tembaga (Cu) kira-kira 1,3 × 10-10 m. Berapa kali kamu dapat membagi sama rata sepotong 10 cm kawat tembaga hingga tereduksi menjadi dua bagian atom tembaga? (asumsikan ada alat yang cocok untuk prosedur ini dan bahwa atom tembaga berbaris dalam satu garis lurus. Saling bersentuhan satu sama lain.) bulatkan jawabanmu ke bilangan bulat.
STOIKIOMETRI 27
K i m i a D a s a r 1 | 28 1.65 Satu galon bensin yang terbakar dalam mobil memghasilkan rata-rata 9,5 kg karbondioksida, yang merupakan gas rumah kaca, yaitu, menaikkan panas atmosfer bumi. Hitung produksi tahunan dari karbondioksida dalam kiligram jika ada 40 juta mobil di Amerika Serikat, dan masing-masing mobil meliputi jarak 500 mil pada rata-rata konsumsi 20 mil per galon. 1.66 Selembar aluminum (Al) foil memilki luas total 1,000 ft 2 dan massa 3,636 g. Berapa ketebalan foil in millimeter? (kerapatan Al = 2,699 g/cm3.) 1.67 Klorin digunakan untuk disinfektan kolam renang. Konsentrasi yang diterima untuk tujuan ini adalah 1 ppm klorin atau 1 g klorin per juta g air. Hitung volume larutan klorin (dalam mL) yang seharusnya pemilik tambahkan untuk kolam renangnya jika larutan mengandung 6,0 persen klorin per massa dan ada 2 × 104 galon air dalam kolam. (1 galon = 3,79 L; kerapatan cairan = 1,0 g/mL) 1.68 Floridasi adalah proses penambahan senyawa florin pada air minum untuk membantu mengatasi karies gigi. Konsentrasi 1 ppm florin cukup untuk tujuan. (1 ppm berarti 1 g florin per 1 juta g air). Senyawa tersebut secara normal dipilih untuk floridasi adalah natrium florida, yang juga ditambahkan ke beberapa pasta gigi. Hitung kuantitas natrium florida dalam kilogram yang dibutuhkan per tahun untuk kota dari 50.000 orang jika konsumsi air tiap hari per orang 150 galon. Berapa persen natrium florida yang dibuang jika tiap oranghanya menggunakan 6,0 L air per hari untuk minum dan memasak? (natrium florida mengandung 45,0 persen florin per massa. 1 galon = 3,79 L; 1 tahun = 365 hari; kerapatan air = 1,0 g/mL). 1.69 Dalam konservasi air, ahli kimia menyebarkan film tipis dari material inert tertentu di atas permukaan air untuk menurunkan kecepatan evaporasi air dalam reservoir. Teknik ini dirintis oleh Benjamin Franklin tiga abad yang lalu. Franklin menemukan bahwa 0,10 mL minyak dapat terpancar di atas permukaan air kirakira 40 m2 di area. Asumsikan bahwa minyak membentuk layer tunggal, yaitu, sebuah lapisan yang hanya setebal satu molekul, perkirakan panjang masingmasing minyak molekul dalam nanometer (1 nm = 1 × 10-9 m) 1.70 Feromon adalah senyawa yang disekresikan oleh spesies serangga betina untuk menarik. Biasanya 1,0 × 10-8 g feromon cukup untuk mencapai semua target jantan dalam radius 0,50 mil. Hitung kerapatan feromon (dalam g/L) dalam ruang silinder udara yang memilki radius 0,50 mil dan tinggi 40 kaki.
K i m i a D a s a r 1 | 29
BAB 2. ATOM, MOLEKUL, DAN ION Deskripsi Perkembangan Teori Atom: Penelitian tentang partikel penyusun materi telah dimulai sejak zaman kuno. Teori modern tentang atom dikemukakan oleh John Dalton yang menyatakan bahwa unsur tersusun atas partikel yang sangat kecil yang disebut atom. Atom-atom yang menyusun suatu unsur adalah identik satu dengan yang lain. Unsur yang berbeda berbeda pula jenis atom penyusunnya. Struktur Atom : Sebuah atom terdiri dari tiga partikel dasar : proton, elektron, dan neutron. Proton bermuatan positif, elektron bermuatan negatif, dan neutron tidak bermuatan. Proton dan neutron yang terletak di daerah yang kecil pada pusat atom yang disebut inti, dan elektron tersebar pada jarak tertentu di sekitar inti. Identifikasi Atom : Nomor atom menunjukkan jumlah proton dalam inti. Atom dari unsur berbeda memiliki nomor atom yang berbeda. Isotop adalah atom dari unsur sejenis yang memiliki jumlah neutron berbeda. Nomor massa merupakan jumlah dari proton dan neutron dalam sebuah atom. Tabel Periodik : Unsur dapat dikelompokkan berdasarkan sifat fikika dan kimianya dalam sebuah bagan khusus yang disebut tabel periodik. Tabel periodik memungkinkan kita untuk mengklasifikasikan unsur-unsur (seperti logam, metaloid, dan nonlogam) dan saling mengaitkan sifat-sifatnya secara sistematis. Dari Atom Hingga Ion dan Molekul : Atom-atom dari sebagian besar unsur saling berinteraksi untuk membentuk senyawa. Senyawa dapat diklasifikasikan menjadi molekul dan senyawa ionik, yang terbentuk dari ion positif (kation) dan ion negatif (anion). Rumus kimia menunjukkan jenis dan jumlah atom dalam suatu molekul atau senyawa. Tatanama Senyawa : Penamaan dari berbagai macam senyawa anorganik diatur berdasarkan seperangkat aturan sederhana. Senyawa Organik : Jenis senyawa organik yang paling sederhana adalah hidrokarbon. 2.1 TEORI ATOM Pada abad ke-5 SM, seorang filsuf Yunani bernama Democritus menyatakan sebuah keyakinan bahwa semua materi terdiri dari partikel yang sangat kecil dan tidak dapat dibagi lagi. Demokritus menyebutnya sebagai atomos (tidak dapat dipotong-
K i m i a D a s a r 1 | 30 potong atau tidak dapat dibagi lagi). Meskipun pernyataan Democritus tersebut tidak diterima oleh banyak orang di zaman (terutama Plato dan Aristoteles), pendapat tersebut tetap bertahan. Hasil eksperimen pada penyelidikan ilmiah awal menunjukkan bukti yang mendukung pendapat tentang ‘atomisme’ dan secara bertahap mengembangkan definisi yang semakin modern tentang unsur dan senyawa. Pada tahun 1808, seorang ilmuwan dan guru berkebangsaan Inggris, John Dalton, merumuskan definisi yang tepat dari penyusun materi yang tidak dapat dibagi lagi yang kita sebut atom. Hasil kerja Dalton menandai dimulainya era modern kimia. Hipotesis Dalton tentang sifat materi berdasarkan teori atom Dalton dapat diringkas sebagai berikut. 1. Unsur tersusun atas partikel yang sangat kecil, yang disebut atom. 2. Atom-atom penyusun suatu unsur merupakan atom identik dengan ukuran, massa, dan sifat kimia yang sama. Atom-atom penyusun unsur tertentu berbeda dari atomatom penyusun unsur lainnya. 3. Senyawa terdiri dari atom-atom yang berasal lebih dari satu unsur. Dalam setiap senyawa, perbandingan jumlah atom dari dua unsur pembentuk senyawa merupakan bilangan bulat atau pecahan sederhana. 4. Reaksi kimia hanya melibatkan pemisahan, kombinasi, atau penataan ulang atomatom, tetapi tidak melibatkan pembentukan atau pemecahan atom.
Atom-atom unsur X Atom-atom unsur Y Senyawa dari unsur X dan Y Gambar 2.1 Gambaran Skematik Hipotesis Dalton no. 2 dan 3. Menurut teori atom Dalton, atomatom dari unsur yang sama adalah identik, namun atom-atom suatu unsur berbeda dari unsur yang lain. Senyawa terbentuk dari atom-atom unsur X dan Y. Pada contoh, perbandingan atom unsur X:Y = 2:1.
Konsep atom Dalton jauh lebih rinci dan spesifik dibandingkan Democritus. Dalam hipotesis kedua dinyatakan bahwa atom dari suatu unsur berbeda dari atom unsur-unsur yang lain. Dalton tidak menggambarkan lebih mendalam tentang struktur atau komposisi atom, beliau tidak sampai berpikir seperti apa sebenarnya atom itu. Tetapi dia menyadari bahwa perbedaan sifat yang ditunjukkan oleh unsur-unsur seperti hydrogen dan oksigen dapat dijelas dapat dijelaskan dengan mengasumsikan bahwa atom hidrogen yang tidak sama dengan atom oksigen. Hipotesis ketiga menyatakan bahwa dalam pembentukan suatu senyawa, tidak hanya dibutuhkan atom dari jenis unsur yang tepat dari elemen, namun jumlah atomatom tersebut juga harus spesifik. Pernyataan ini merupakan kelanjutan dari hukum perbandingan tetap yang dicetuskan oleh Joseph Proust, seorang ahli kimia Perancis,
K i m i a D a s a r 1 | 31
pada tahun 1799. Hukum Perbandingan Tetap Proust menyatakan bahwa dari beberapa sampel senyawa tertentu selalu mengandung unsur-unsur penyusunnya engan perbandingan massa yang sama. Dengan demikian, jika kita menganalisis beberapa sampel gas karbon dioksida dari sumber yang berbeda, maka kita akan menemukan perbandingan massa yang konstan antara karbon dan oksigen. Hal ini cukup beralasan karena jika perbandingan massa unsur-unsur yang berbeda dalam suatu senyawa adalah tetap, maka perbandingan atom unsur-unsur ddalam senyawa juga harus tetap (konstan). Hipotesis ketiga Dalton juga mendukung hukum lain yang penting yaitu Hukum Perbandingan Berganda. Menurut hukum ini, dua unsur dapat membentuk dua senyawa atau lebih , jika massa salah satu unsur dalam kedua senyawa adalah sama, maka perbandingan massa unsur yang lain dalam kedua senyawa tersebut akan berbanding sebagai bilangan bulat sederhana. Teori Dalton menjelaskan hukum perbandingan berganda dengan cukup sederhana : senyawa dapat dibedakan menurut jumlah atom yang saling berikatan. Sebagai contoh, karbon membentuk dua senyawa yang stabil dengan oksigen, yaitu karbon monoksida dan karbon dioksida. Teknik pengukuran modern menunjukkan bahwa satu atom karbon berikatan dengan satu atom oksigen dalam karbon monoksida dan satu atom karbon akan berikatan dengan dua atom oksigen untuk membentuk karbon dioksida. Dengan demikian, perbandingan oksigen dalam karbon monoksida oksigen karbon dioksida adalah 1:2 dengan massa karbon yang sama. Hasil ini sesuai dengan hukum perbandingan berganda karena massa unsur dalam suatu senyawa sebanding dengan jumlah atom unsurnya.
Gambar 2.2 Ilustrasi Hukum Perbandingan Berganda. Perbandingan oksigen dalam karbon monoksida dan karbon dioksida adalah 1:2
Hipotesis keempat Dalton merupakan cara lain untuk menyatakan Hukum Kekekalan Massa, yaitu materi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan. Karena materi tersusun atas atom-atom yang tidak dapat berubah selama terjadi reaksi kimia, maka massa juga akal kekal. Pemikiran Dalton yang cemerlang tentang sifat-sifat materi merupakan stimulus utama yang mendorong pesatnya perkembangan ilmu kimia di abad kesembilan belas. 2.2 STRUKTUR ATOM Menurut teori atom Dalton, atom didefinisikan sebagai unit dasar suatu unsur yang dapat berkombinasi secara kimiawi. Dalton membayangkan atom sebagai sesuatu yang sangat kecil dan tidak dapat dibagi-bagi. Namun, serangkaian penyelidikan yang dimulai pada tahun 1850-an dan berkembang hingga abad kedua puluh jelas menunjukkan bahwa atom pada dasarnya memiliki struktur internal yang terdiri dari partikel-partikel yang lebih kecil dan disebut partikel subatomik. Penelitian-penelitian yang akan dijelaskan selanjutnya mengarah pada penemuan tiga partikel subatomik, yaitu elektron, proton, dan neutron. Elektron
K i m i a D a s a r 1 | 32 Pada tahun 1890-an, banyak ilmuwan tertarik untuk mempelajari radiasi, suatu jenis emisi dan transmisi energi melalui ruang dalam bentuk gelombang. Informasi yang diperoleh dari penelitian ini memberikan kontribusi yang besar terhadap pengetahuan tentang struktur atom. Salah satu perangkat penyelidikan yang digunakan adalah tabung sinar katoda, yang merupakan awal mula dari tabung televisi (Gambar 2.3). Tabung sinar katoda berupa sebuah tabung kaca yang sebagian besar udara didalamnya telah dikosongkan. Ketika dua pelat logam terhubung dengan sumber listrik tegangan tinggi, pelat bermuatan negatif, yang disebut katoda, akan memancarkan sinar tak terlihat. Sinar katoda akan tertarik ke pelat bermuatan positif, yang disebut anoda. Sinar tersebut akan melewati lubang hingga mencapai ujung tabung. Ketika sinar mengenai permukaan yang dilapisi oleh lapisan khusus, sinar akan menghasilkan fluoresensi atau cahaya terang yang kuat.
Gambar 2.3 Tabung sinar katoda dengan medan listrik yang tegak lurus terhadap arah sinar katoda dan sebuah medan magnet eksternal. Simbol N dan S menunjukkan kutub utara dan selatan magnet. Sinar katoda akan mengenai ujung tabung (A) akibat pengaruh medan magnet, di C akibat pengaruh medan listrik, dan di B ketika tidak ada pengaruh medan magent atau listrik dari luar atau jika efek medan magnet dan listrik tidak saling mempengaruhi satu sama lain.
Pada beberapa percobaan, dua pelat bermuatan listrik dan sebuah magnet ditambahkan pada bagian luar dari tabung sinar katoda (lihat Gambar 2.3). Jika medan magnet menyala dan medan listrik dimatikan, sinar katoda akan mengenai titik A. Sedangkan jika hanya medan listrik saja yang aktif, sinar akan menumbuk titik C. Ketika medan magnet dan medan listrik dimatikan atau keduanya memiliki kekuatan yang seimbang, maka keduanya akan saling meniadakan pengaruh satu sama lain dan sinar akan mengenai titik B. Menurut teori elektromagnetik, suatu benda bermuatan yang bergerak akan berperilaku seperti magnet dan dapat berinteraksi dengan medan listrik dan medan magnet yang dilaluinya. Karena sinar katoda tertarik oleh pelat bermuatan positif dan tertolak oleh pelat bermuatan negatif, maka sinar katoda pasti terdiri atas partikel-partikel bermuatan negatif. Seperti yang diketahui, partikel-partikel bermuatan negatif disebut sebagai elektron. Gambar 2.4 menunjukkan efek sebuah magnet batang terhadap sinar katoda.
K i m i a D a s a r 1 | 33
(a)
(b)
(c)
Gambar 2.4 (a) Sinar katoda yang dihasilkan dalam tabung tak bermuatan akan mengalir dari katoda (kiri) menuju anoda (kanan). Pada dasarnya sinar tersebut tidak tampak, namun adanya fluoresensi dari lapisan seng sulfida pada permukaan kaca menyebabkan sinar berwarna hijau. (b) Sinar katoda akan mengarah ke bawah jika magnet didekatkan. (c) Jika kutub magnet dibalik maka sinar akan membengkok ke arah yang berlawanan.
Seorang fisikawan Inggris, JJ Thomson, menggunakan tabung sinar katoda dan ilmunya tentang teori elektromagnetik untuk menentukan perbandingan antara muatan listrik dengan massa elektron tunggal yang menunjukkan angka -1.76 x 108 C/g, dimana C adalah Coulomb, satuan muatan listrik. Selanjutnya, serangkaian percobaan dilakukan oleh R.A. Millikan, seorang fisikawan Amerika, antara tahun 1908‒1917. R.A Milikan menemukan muatan elektron sebesar -1,6022 x 1019 C. Dari data tersebut, ia memperhitungkan massa elektron sebagai berikut : 𝑚𝑢𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛 𝑚𝑢𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛⁄𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛 −1,6022 × 10−19 𝐶 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛 = −1,76 × 108 𝐶 ⁄𝑔 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛 = 9,10 × 10−28 𝑔 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛 =
Nilai tersebut menunjukkan massa electron yang sangat kecil. Radioaktivitas Pada tahun 1895, fisikawan Jerman, Wilhelm Röntgen, menyadari bahwa sinar katoda menyebabkan kaca dan logam memancarkan sinar yang sangat tidak biasa. Radiasi ini berenergi tinggi sehingga dapat menembus materi, menutup pelat fotografi dengan lapisan gelap, dan menyebabkan berbagai jenis zat berpendar. Karena sinar tersebut tidak dapat dibelokkan oleh magnet, maka sinar tersebut tidak mengandung partikel bermuatan seperti sinar katoda. Röntgen menyebutnya sinar X. Tidak lama setelah penemuan Röntgen, Antoine Becquerel, seorang profesor fisika di Paris, mulai mempelajari sifat berpendarnya materi. Secara kebetulan, ia menemukan bahwa jika suatu pelat fotografi dengan lapisan tebal dibiarkan terkena senyawa uranium tertentu akan menyebabkan pelat menjadi gelap, bahkan tanpa adanya pengaruh sinar katoda. Seperti sinar X, sinar dari senyawa uranium tersebut berenergi dan tidak dapat dibelokkan oleh magnet. Namun, sinar tersebut berbeda dengan sinar X karena dihasilkan secara spontan. Salah satu siswa Becquerel, Marie Curie,
K i m i a D a s a r 1 | 34 memberikan nama radioaktivitas untuk menggambarkan emisi secara spontan oleh partikel dan/atau radiasi. Akibatnya, setiap unsur yang memancarkan radiasi secara spontan disebut unsur radioaktif.
Gambar 2.5 Tiga jenis sinar hasil emisi unsur radioaktif. Sinar β terdiri dari partikel bermuatan negativ (elektron) sehingga tertarik oleh pelat bermuatan positif. Hal yang sama juga berlaku untuk sinar α yang bermuatan positif sehingga ia tertarik ke pelat bermuatan negativ. Karena sinar ɤ tidak bermuatan maka ia tidak terpengaruh oleh medan listrik eksternal.
Penelitian lebih lanjut menunjukkan bahwa pada proses penembakan atau pemecahan zat radioaktif seperti uranium akan menghasilkan tiga jenis sinar. Dua diantaranya dapat dibelokkan oleh pelat logam yang bermuatan berlawanan (Gambar 2.5). Sinar alpha (α) terdiri dari partikel-partikel bermuatan positif, yang disebut partikel α, oleh karena itu dibelokkan oleh pelat bermuatan positif. Sinar beta (β) atau partikel β, adalah elektron dan dibelokkan oleh pelat bermuatan negatif. Jenis sinar ketiga adalah radiasi radioaktif, terdiri dari sinar berenergi tinggi yang disebut sinar gamma (ɤ). Seperti sinar X, sinar ɤ tidak bermuatan dan tidak terpengaruh oleh medan listrik atau medan magnet eksternal. Proton dan Inti Atom Pada awal 1900-an, dua spesifikasi tentang atom menjadi jelas : (1) atom mengandung elektron dan (2) atom tidak bermuatan (netral). Untuk menjaga kenetralannya, atom harus memiliki jumlah muatan positif dan negatif yang sama. Berdasarkan hal tersebut, Thomson berpendapat bahwa atom dapat dianggap sebagai bola bermuatan positif dengan electron tersebar di permukaan bola tersebut (Gambar 2.6). Model atom Thomson yang disebut pula model "roti kismis" merupakan teori atom yang diterima hingga beberapa tahun. Pada tahun 1910, seorang fisikawan Selandia Baru, Ernest Rutherford, yang sebelumnya belajar bersama Thomson di Universitas Cambridge, memutuskan untuk menggunakan suatu partikel untuk meneliti lebih lanjut tentang struktur atom. Bersama dengan rekannya, Hans Geiger dan seorang sarjana bernama Ernest Marsden,
K i m i a D a s a r 1 | 35
Rutherford melakukan serangkaian percobaan menggunakan lempeng emas dan logam lain yang sangat tipis sebagai target partikel α yang berasal dari sumber zat radioaktif (Gambar 2.7). Mereka mengamati bahwa sebagian besar partikel menembus lempengan (diteruskan) dan hanya sedikit yang dibelokkan. Mereka juga menyadari bahwa partikel α dibelokkan pada sudut yang besar. Padahal seharusnya partikel α justru dipantulkan dari arah ia datang. Temuan ini benar-benar mengejutkan, karena dalam model Thomson muatan positif tersebar di dalam atom sehingga partikel sinar α yang ditembakkan diharapkan dapat melewati atom dengan sedikit pembauran. Ketika Rutherford menceritakan penemuannya ini, ia mengatakan "Ini sama luar biasanya dengan jika Anda menembak lempeng setebal 15inci pada selembar kertas tisu dan lempeng tersebut terlempar kembali dan memukul Anda."
Gambar 2.7 (a) Desain percobaan Rutherford tentang hamburan partikel α oleh lempengan emas. Sebagian besar partikel α dapat melewati lempeng emas dengan sedikit atau tanpa terhambur. Sedangkan sebagian kecil dipantulkan dengan sudut yang sangat besar. (b) Gambaran dari partikel α yang diteruskan dan diapntulkan oleh inti atom.
Berdasarkan hasil percobaan tentang hamburan sinar partikel α, Rutherford menyusun model baru tentang struktur atom, dimana sebagian besar atom berupa ruang kosong. Struktur ini akan memungkinkan sebagian besar partikel α melewati lempeng emas dengan sedikit partikel α yang dibelokkan. Rutherford juga berpendapat bahwa muatan positif atom terpusat pada inti atom. Hal inilah yang menyebabkan partikel α yang mendekati nukleus akan terkena gaya tolak yang besar dengan sudut hamburan yang besar pula. Selain itu, partikel α yang bergerak menuju inti akan mengalami tolakan yang besar sehingga partikel akan bergerak ke arah yang berlawanan. Partikel bermuatan positif dalam inti atom disebut proton. Dalam percobaan terpisah ditemukan bahwa muatan tiap proton sama dengan elektron dan massa proton adalah 1,67262 x 10-24g, atau sekitar 1840 kali lebih berat dibandingkan massa elektron. Pada tahap penyelidikan, para ilmuwan menerima pendapat Rutherford tentang atom. Massa inti atom merupakan sebagian besar dari massa atom secara keseluruhan, namun inti hanya menempati sekitar 1/1013 dari volume atom. Dalam Satuan International (SI), atom (dan molekul) dinyatakan dalam satuan pikometer (pm), dimana 1pm = 1 x 10-12m.
K i m i a D a s a r 1 | 36
(a)
(b)
Gambar 2.6 Model atom Thomson biasanya dimisalkan seperti model roti kismis, makanan penutup tradisional Inggris. Elektron berada pada bola yang bermuatan positif. Jari-jari atom berukuran sekitar 100pm, sedangkan jari-jari inti atom hanya sekitar 5 X 10-3pm. Anda dapat mengumpamakan ukuran relatif atom dan intinya dengan membayangkan bahwa jika atom sebuah stadion olahraga, maka volume intinya akan sebanding dengan sebuah kelereng kecil. Meskipun proton terletak hanya terbatas pada inti atom, elektron dipahami sebagai partikel yang tersebar dengan jarak tertentu dari inti.
Jika ukuran atom dianggap sebagai stadion olahraga, maka inti atom hanya berukuran sebesar kelereng
Neutron Model atom Rutherford meninggalkan satu masalah besar yang belum terpecahkan. Seperti yang telah diketahui, hidrogen, atom paling sederhana, hanya memiliki satu proton dan atom helium memiliki dua proton. Oleh karena itu, perbandingan massa atom helium dengan atom hidrogen seharusnya adalah 2:1. (Karena massa elektron jauh lebih ringan dari proton, maka kontribusi electron terhadap massa atom dapat diabaikan.) Namun dalam kenyataannya, perbandingan massanya adalah 4:1. Rutherford dan peneliti-peneliti lain mengatakan bahwa seharusnya ada partikel subatomik lain dalam inti atom. Hal ini dibuktikan oleh seorang fisikawan Inggris bernama James Chadwick pada tahun 1932. Ketika Chadwick dibombardir lembaran
K i m i a D a s a r 1 | 37
tipis berilium dengan partikel α, radiasi berenergi sangat tinggi yang mirip dengan sinar ɤ dipancarkan oleh logam. Percobaan selanjutnya menunjukkan bahwa sinar tersebut sebenarnya terdiri dari partikel-partikel tidak bermuatan (netral) dengan massa yang sedikit lebih besar daripada proton. Chadwick menyebut partikel ini sebagai neutron. Berdasarkan hasil penemuan ini, masalah perbandingan massa telah terpecahkan. Dalam inti helium terdapat dua proton dan dua neutron, tetapi dalam inti hidrogen hanya ada satu proton tanpa neutron, oleh karena itu perbandingan massanya adalah 4:1. Ada beberapa partikel subatomik lain, tapi elektron, proton, dan neutron adalah tiga komponen dasar atom yang penting dalam ilmu kimia. Tabel 2.1 menunjukkan massa dan muatan ketiga partikel dasar tersebut. Table 2.1 Massa dan Muatan Partikel Subatomik Muatan Partikel Subatomik
Massa (g)
Elektron *
Coulomb
Satuan Muatan
9,10938 x 10-28
‒ 1,6022 x 10-19
‒1
Proton
1,67262 x 10-24
+ 1,6022 x 10-19
+1
Neutron
1,67493 x 10-24
0
0
* Penelitian yang lebih teliti memberikan nilai yang lebih akurat terhadap massa elektron dibandingkan Millikan. 2.3 Nomor Atom, Nomor Massa, dan Isotop Semua atom dapat diidentifikasi berdasarkan jumlah proton dan neutron yang dikandungnya. Jumlah proton dalam inti setiap atom suatu unsur disebut nomor atom (Z). Dalam atom netral, jumlah proton sama dengan jumlah elektron, sehingga nomor atom juga dapat menunjukkan jumlah elektron dalam atom. Identitas kimia atom dapat ditentukan hanya berdasarkan nomor atom. Sebagai contoh, nitrogen memiliki nomor atom 7, berarti setiap atom nitrogen netral memiliki 7 proton dan elektron 7. Dengan kata lain, setiap atom yang memiliki 7 proton dalam intinya pasti atom nitrogen. Nomor massa (A) adalah jumlah total antara neutron dan proton yang terdapat dalam inti atom suatu unsur. Selain bentuk paling umum dari atom hidrogen yang hanya memiliki satu proton dan tidak memiliki neutron, semua inti atom mengandung proton dan neutron. Secara umum, nomor massa dinyatakan sebagai : 𝒏𝒐𝒎𝒐𝒓 𝒎𝒂𝒔𝒔𝒂 = 𝒋𝒖𝒎𝒍𝒂𝒉 𝒑𝒓𝒐𝒕𝒐𝒏 + 𝒋𝒖𝒎𝒍𝒂𝒉 𝒏𝒆𝒖𝒕𝒓𝒐𝒏 𝒏𝒐𝒎𝒐𝒓 𝒎𝒂𝒔𝒔𝒂 = 𝒏𝒐𝒎𝒐𝒓 𝒂𝒕𝒐𝒎 + 𝒋𝒖𝒎𝒍𝒂𝒉 𝒏𝒆𝒖𝒕𝒓𝒐𝒏 Jumlah neutron dalam sebuah atom merupakan selisih antara nomor massa dan nomor atom, A ‒ Z. Sebagai contoh, jika nomor massa suatu jenis atom boron adalah 12 dan nomor atomnya adalah 5 (menunjukkan jumlah proton dalam inti), maka jumlah neutronnya adalah 12 ‒ 5 = 7. Perhatikan bahwa ketiga kuantitas (nomor atom, jumlah
K i m i a D a s a r 1 | 38 neutron, dan nomor massa) harus merupakan bilangan bulat positif. Dalam kebanyakan kasus, tidak semua atom dari unsur tertentu memiliki massa yang sama. Atom yang memiliki nomor atom sama tetapi nomor massa yang berbeda disebut isotop. Misalnya, hydrogen memiliki tiga isotop. Isotop yang pertama dikenal sebagai hidrogen, memiliki satu proton namun tidak memiliki neutron. Isotop kedua adalah deuterium yang memiliki satu proton dan satu neutron, dan yang ketiga adalah tritium yang memiliki satu proton dan dua neutron. Berikut adalah cara untuk menuliskan nomor atom dan nomor massa dari suatu atom unsur X : nomor massa nomor atom
𝐴 𝑍𝑋
Dengan demikian, untuk isotop hydrogen dapat ditulis : 1 2 3 1𝐻 1𝐻 1𝐻 hidrogen deuterium tritium
Contoh lainnya, perhatikan dua isotop uranium dengan nomor massa 235 dan 238 berikut. 238 235 92𝑈 92𝑈 Isotop pertama digunakan dalam reaktor nuklir dan bom atom, sedangkan isotop kedua kurang memiliki sifat yang diperlukan untuk diaplikasikan seperti isotop pertama. Dengan pengecualian atom hidrogen, isotop dari unsur-unsur dapat diidentifikasi dari nomor massanya. Dengan demikian, kedua isotop tersebut disebut uranium-235 (diucapkan "uranium dua tigapuluh lima") dan uranium-238 (diucapkan "uranium dua tiga puluh delapan"). Sifat-sifat kimia suatu unsur terutama lebih ditentukan oleh proton dan elektron yang terkandung dalam atom tersebut, neutron tidak berperan dalam perubahan kimia pada kondisi normal. Oleh karena itu, isotop dari unsur yang sama memiliki sifat kimia yang mirip, membentuk jenis senyawa yang sama dan memiliki reaktivitas yang serupa. Contoh 2.1 Hitunglah jumlah proton, neutron, dan electron dari masing-masing spesies berikut. a. 195 79𝐴𝑢 197 b. 79𝐴𝑢 c. 18𝐹
K i m i a D a s a r 1 | 39
d. Karbon-13 Penyelesaian a. Nomor atom Au (emas adalah 79, jadi terdapat 79 proton. Nomor massanya 195, jadi jumlah neutronnya adalah 195 ‒ 79 = 116. Jumlah elektron sama dengan proton, yaitu 79. b. Jumlah proton sama dengan no.(a) yaitu 79. Nomor massanya adalah 197, jadi jumlah neutronnya adalah 197 ‒ 79 = 118. Jumlah elektronnya juga sama seperti no.(a), 79. Spesies pada no.(a) dan (b) merupakan isotop emas dengan sifat kimia yang mirip. c. Nomor atom F (fluorin) adalah 9, jadi ada 9 proton. Nomor massanya adalah 18, jadi jumlah neutronnya adalah 18 ‒ 9 = 9. Jumlah elektron sama dengan jumlah proton, yaitu 9. d. Karbon-13 dapat dinyatakan sebagai 13C. nomor atom karbon adalah 6, jadi ada 13‒ 6=7 neutron. Jumlah elektronnya adalah 6. REVIEW OF CONCEPTS (a) Berapakah nomor atom dari unsur yang memiliki 12 neutron dengan nomor massa 24? (b) Berapakah nomor massa atom silikon dengan 16 neutron di dalam intinya? (c) Berapa jumlah proton, neutron, dan electron pada isotop tembaga 63Cu? 2.4 Tabel Periodik Lebih dari setengah unsur yang dikenal saat ini ditemukan antara tahun 1800 dan 1900. Selama periode ini, para ahli kimia mencatat ada beberapa unsur yang memiliki banyak kemiripan satu sama lain. Pengenalan tentang keteraturan sifat fisika dan kimia materi secara periodik dan kebutuhan untuk mengatur sejumlah besar informasi yang tersedia tentang struktur dan sifat-sifat unsur penyusun materi mendorong berkembangnya tabel periodik ‒ sebuah tabel dimana unsur-unsur dengan sifat fisika dan kimia yang mirip dikelompokkan bersama-sama. Gambar 2.9 menunjukkan tabel periodik modern, dimana unsur-unsur disusun berdasarkan nomor atom (ditulis pada bagian atas lambing unsur) dalam baris horizontal yang disebut periode dan dalam kolom vertikal yang disebut golongan, sesuai dengan kemiripan sifat kimianya. Perhatikan bahwa baru-baru ini unsur 112, 114, 116, dan 118 telah disintesis, meskipun mereka belum diberi nama.
K i m i a D a s a r 1 | 40
Gambar 2.9 Tabel periodik modern. Unsur-unsur disusun sesuai dengan nomor atom yang tertulis di atas lambang unsur. Kecuali hidrogen (H), semua unsur nonlogam terletak pada tabel sebelah kanan. Dua baris logam pada bagian utama tabel dipisahkan dengan tujuan agar tabel tidak terlalu lebar. Sebenarnya, cerium (Ce) harus mengikuti lantanum (La), dan thorium (Th) terletak tepat setelah aktinium (Ac). Penulisan golongan dari 1-18 telah direkomendasikan oleh International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), tetapi belum digunakan secara luas. Dalam teks ini digunakan notasi standar Amerika Serikat untuk nomor golongan (1A ‒ 8A dan 1B ‒ 8B). Unsur-112 hingga unsur-116 dan unsur118 belum diberi nama, sedangkan unsur-117 belum disintesis.
Unsur-unsur dapat dibagi dalam tiga kategori ‒ logam, nonlogam, dan semilogam (metaloid). Logam merupakan konduktor panas dan listrik yang baik, sedangkan unsur nonlogam biasanya merupakan konduktor panas dan listrik yang buruk. Unsur-unsur metaloid memiliki sifat antara unsur logam dan nonlogam. Gambar 2.9 menunjukkan bahwa sebagian besar unsur yang telah diketahui berupa logam, hanya tujuh belas unsur nonlogam, dan delapan unsur metaloid. Dari kiri ke kanan dalam tiap periode, sifat fisik dan kimia unsur berubah secara bertahap dari logam hingga non logam. Tabel periodik merupakan alat yang praktis untuk menunjukkan hubungan sifat dari unsur-unsur secara sistematik dan membantu memprediksi tentang perilaku kimia unsur tertentu. Dalam tabel periodik, unsur-unsur sering dinyatakan secara kolektif dalam golongannya (misalnya golongan 1A, 2A, dan sebagainya). Namun, beberapa golongan unsur memiliki nama khusus. Misalnya unsur-unsur golongan 1A (Li, Na, K, Rb, Cs, dan Fr) disebut golongan logam alkali, dan unsur-unsur golongan 2A (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, dan Ra) disebut logam alkali tanah. Unsur-unsur dalam golongan 7A (F, Cl, Br, I, dan At) dikenal sebagai halogen, dan unsur-unsur golongan 8A (He, Ne, Ar, Kr, Xe, dan Rn) disebut gas mulia. Nama-nama golongan yang lain akan diperkenalkan kemudian.
K i m i a D a s a r 1 | 41
REVIEW OF CONCEPTS Dalam tabel periodik, apakah sifat-sifat kimia mengalami perubahan yang signifikan dalam satu periode (dari kiri ke kanan) atau dalam satu golongan (dari atas ke bawah) ? 2.5 Molekul dan Ion Dari semua unsur dalam tabel periodik, hanya enam unsur gas mulia (golongan 8A) yang ada di alam sebagai atom tunggal, yaitu He, Ne, Ar, Kr, Xe, dan Rn. Oleh karena itu mereka disebut gas monoatomik (atom tunggal). Sebagian besar materi tersusun atas molekul atau ion-ion yang terbentuk dari atom-atom. Molekul Molekul merupakan gabungan antara dua atom atau lebih dengan susunan tertentu melalui ikatan kimia. Molekul dapat tersusun atas atom-atom dari unsur yang sama atau atom-atom dari dua atau lebih unsur yang bergabung dengan perbandingan tetap sesuai dengan Hukum Perbandingan Berganda yang sudah dibahas pada bagian 2.1. Dengan demikian, sebuah molekul belum tentu merupakan suatu senyawa, yang menurut definisinya terdiri dua unsur atau lebih. Gas hidrogen misalnya, merupakan unsur murni, tetapi terdiri dari molekul yang tersusun atas masing-masing dua atom H. Disisi lain, air merupakan contoh senyawa molekuler yang mengandung atom hidrogen dan oksigen dengan perbandingan dua atom H dan satu atom O. Seperti halnya atom, molekul tidak memiliki muatan listrik (bersifat netral). Molekul hidrogen dilambangkan sebagai H2 dan disebut molekul diatomik karena hanya berisi dua atom. Unsur-unsur lain yang keberadaannya di alam sebagai molekul diatomik adalah nitrogen (N2) dan oksigen (O2), serta unsur-unsur dalam golongan VIIA ‒ fluorin (F2), klorin (Cl2), bromin (Br2), dan iodin (I2). Selain itu, sebuah molekul diatomik juga dapat mengandung atom-atom dari unsur yang berbeda. Contohnya hidrogen klorida (HCl) dan karbon monoksida (CO). Namun pada kenyataannya, sebagian besar molekul mengandung lebih dari dua atom. Molekul-moleku tersebut dapat tersusun atas atom-atom dari unsur yang sama, misalnya seperti ozon (O3), yang terdiri dari tiga atom oksigen, atau atom-atom penyusunnya merupakan kombinasi dari dua atau lebih unsur yang berbeda. Molekul yang mengandung lebih dari dua atom disebut molekul poliatomik, seperti ozon, air (H2O) dan amonia (NH3). Ion Ion adalah atom atau sekelompok atom yang memiliki muatan total positif atau negatif. Jumlah proton bermuatan positif dalam inti atom tetap sama selama terjadi perubahan kimia (disebut juga reaksi kimia), tetapi elektron bermuatan yang bermuatan negatif mungkin dilepas atau diterima oleh atom atau kelompok atom tersebut. Hilangnya satu atau lebih elektron dari atom netral akan menghasilkan kation, yaitu ion dengan muatan positif. Misalnya, sebuah atom natrium (Na) dapat dengan mudah kehilangan satu elektronnya dan membentuk kation natrium dan dilambangkan dengan Na+
K i m i a D a s a r 1 | 42 atom Na
ion Na+
11 proton 11 proton 11 elektron 10 elektron Di sisi lain, anion adalah ion yang bermuatan negatif akibat adanya penambahan jumlah elektron. Sebuah atom klorin (Cl) misalnya, akan menangkap elektron untuk membentuk ion klorida, Cl‒ atom Cl
ion Cl‒
17 proton 17 elektron
17 proton 18 elektron
Natrium klorida (NaCl) atau garam meja disebut senyawa ionik karena terbentuk dari kation dan anion.
Gambar 2.10 Ion monoatomik yang umum ditemukan diatur sesuai dengan posisinya dalam tabel periodik. Perhatikan bahwa ion Hg22+ terdiri dari dua atom. Sebuah atom dapat melepas atau menangkap lebih dari satu elektron. Beberapa contoh ion yang terbentuk akibat melepas atau menangkap lebih dari satu elektron adalah Mg2+, Fe3+, S2‒, dan N3‒. Ion Na+ dan Cl‒ disebut ion monoatomik karena hanya mengandung satu atom. Gambar 2.10 menunjukkan sejumlah ion monoatomik beserta muatannya. Dengan beberapa pengecualian, logam cenderung membentuk kation sedangkan nonlogam cenderung membentuk anion. Selain itu, dua atau lebih atom dapat bergabung untuk membentuk suatu ion yang memiliki muatan total positif atau negatif. Ion poliatomik seperti OH‒ (ion hidroksida), CN‒ (ion sianida), dan NH4+ (ion amonium) adalah ion yang mengandung lebih dari satu atom. 2.6 Rumus Kimia Ahli kimia menggunakan rumus kimia untuk mengekspresikan komposisi
K i m i a D a s a r 1 | 43
molekul dan senyawa ionik dalam istilah simbol kimia. Komposisi yang dimaksud tidak hanya kehadiran unsur tetapi juga rasio atom yang dikombinasikan. Sebagian besar di sini mengacu pada dua tipe rumus: rumus molekul dan rumus empiris. Rumus Molekul Rumus molekul menunjukkan jumlah yang pasti dari atom dari masing-masing unsure dalam unit terkecil suatu zat. Dalam diskusi kita tentang molekul, masingmasing contoh diberikan dengan rumus formulanya dalam tanda kurung. Dengan demikian, H2 adalah rumus molekul untuk hidrogen, O2 untuk oksigen, O3 untuk ozon, dan H2O untuk air. Angka yang berada di bawah menunjukkan jumlah atom dari unsur yang hadir. Tidak ada indeks untuk O dalam H2O karena hanya ada satu atom oksigen dalam satu molekul air, sehingga angka "satu" dihilangkan dari rumus. Perhatikan bahwa oksigen (O2) dan ozon (O3) merupakan alotrop oksigen. Alotrop adalah salah satu dari dua atau lebih bentuk yang berbeda dari suatu unsur. Dua bentuk alotrop dari unsur karbon adalah berlian dan grafit yang secara dramatis berbeda tidak hanya sifatnya tetapi juga dalam biaya relatifnya. Model Molekul Molekul terlalu kecil bagi kita untuk mengamatinya secara langsung. Sebuah cara yang efektif untuk memvisualisasikan mereka adalah dengan menggunakan model molekul. Dua jenis model molekul standar yang digunakan: model bola pasak dan model ruang termampatkan (Gambar 2.11). Dalam model bola pasak, atom-atom berupa bola kayu atau plastik dengan lubang di dalamnya. Batang atau pegas digunakan untuk mewakili ikatan kimia. Sudut antara atom-atom membentuk perkiraan sudut ikatan dalam molekul yang sebenarnya. Dengan pengecualian dari atom H, semua bola memiliki ukuran yang sama dan setiap jenis atom diwakili oleh warna tertentu. Dalam model ruang termampatkan, atom diwakili oleh potongan bola dieratkan bersama dengan pengancing pasak, sehingga ikatan tidak terlihat. Bola proporsional dengan ukuran atom. Langkah pertama untuk membangun sebuah model molekul adalah menulis rumus struktur, yang menunjukkan bagaimana atom terikat satu sama lain dalam suatu molekul. Misalnya, diketahui bahwa masing-masing dari dua atom H yang terikat pada atom O dalam molekul air. Sehingga, rumus struktur air adalah H-OH. Sebuah garis yang menghubungkan dua simbol atom merupakan ikatan kimia.
K i m i a D a s a r 1 | 44
Gambar 2.11 Rumus molekul dan rumus struktur serta model molekul empat molekul yang umum
Model bola pasak menunjukkan susunan tiga dimensi dari atom dengan jelas, dan mereka cukup mudah untuk dibangun. Namun, bola tidak proporsional dengan ukuran atom. Selanjutnya, batang sangat membesar-besarkan ruang antara atom-atom dalam molekul. Model ruang termampatkan lebih akurat karena mereka menunjukkan variasi dalam ukuran atom. Kelemahannya adalah bahwa mereka memakan waktu untuk menempatkan bersama-sama dan tidak menunjukkan tiga-dimensi posisi atom denganb sangat baik. Kita akan menggunakan kedua model secara ekstensif dalam teks ini. Rumus Empiris Rumus molekul hidrogen peroksida, zat yang digunakan sebagai antiseptik dan sebagai agen pemutih untuk tekstil dan rambut, adalah H2O2. Rumus ini menunjukkan bahwa setiap molekul hidrogen peroksida terdiri dari dua atom hidrogen dan dua atom oksigen. Rasio atom hidrogen dan oksigen dalam molekul ini adalah 2:2 atau 1:1. Rumus empiris hidrogen peroksida adalah HO. Jadi, rumus empiris memberitahu kita unsur mana yang hadir dan jumlah keseluruhan rasio paling sederhana dari atom mereka, tetapi belum tentu jumlah sebenarnya dari atom dalam molekul yang diberikan. Sebagai contoh lain, perhatikan senyawa hidrazin (N2H4), yang digunakan sebagai bahan bakar roket. Rumus empiris hidrazin adalah NH2. Meskipun rasio nitrogen untuk hidrogen adalah 1:2 dalam kedua rumus molekul (N2H4) dan rumus empiris (NH2), hanya rumus molekul yang menyatakan berapa sebenarnya atom N (dua) dan atom H (empat) hadir dalam molekul hidrazin. Rumus empiris adalah rumus kimia paling sederhana, mereka ditulis dengan pengurangan subskrip dalam rumus molekul ke nomor terkecil yang mungkin dari jumlah keseluruhan. Rumus molekul adalah rumus sebenarnya dari molekul. Jika kita tahu rumus molekul, kita juga tahu rumus empirisnya, tetapi sebaliknya tidak benar.
K i m i a D a s a r 1 | 45
Mengapa, kemudian, ahli kimia repot-repot dengan rumus empiris? Seperti yang akan kita lihat dalam Bab 3, ketika ahli kimia menganalisis senyawa yang tidak diketahui, langkah pertama biasanya adalah penentuan rumus empiris senyawa. Dengan informasi tambahan, adalah mungkin untuk menyimpulkan rumus molekul. Bagi banyak molekul, rumus molekul dan rumus empiris adalah satu dan sama. Beberapa contoh adalah air (H2O), amonia (NH3), karbon dioksida (CO2), dan metana (CH4). Contoh 2.2 Penyelesaian Mengacu pada label (lihat juga kembali kertas terakhir). Ada empat atom H, satu atom C, dan satu atom O. Oleh karena itu, rumus molekulnya adalah CH4O. Namun, cara standar penulisan rumus molekul untuk metanol adalah CH3OH karena menunjukkan bagaimana atom bergabung dalam molekul. Latihan Tuliskan rumus molekul dari kloroform, yang digunakan sebagai pelarut dan agen pembersih. Model pasak kloroform ditunjukkan dalam margin pada p. 43. Contoh 2.3 digunakan dalam obor las, (b) glukosa (C6H12O6), substansi yang dikenal sebagai gula darah, dan (c) nitrogen oksida (N2O), gas yang digunakan sebagai gas anestesi ("gas tertawa") dan sebagai propelan aerosol untuk krim kocok. Strategi ingat kembali untuk menulis rumus empiris, subskrip dalam rumus molekul harus dikonversi ke nomor terkecil dari seluruh kemungkinan. Penyelesaian (a) Ada dua atom karbon dan dua atom hidrogen dalam asetilena. Membagi subskrip dengan 2, kita memperoleh rumus empiris CH. (b) Dalam glukosa terdapat 6 atom karbon, 12 atom hidrogen, dan 6 atom oksigen. Membagi subskrip dengan 6, kita memperoleh rumus empiris CH2O. Perhatikan bahwa jika kita telah membagi subskrip dengan 3, kita akan memperoleh rumus C2H4O2. Meskipun rasio atom karbon terhadap hidrogen terhadap oksigen dalam C2H4O2 adalah sama seperti yang dalam C6H12O6 (1:2:1), C2H4O2 bukanlah rumus sederhana karena subskripnya yang tidak berada dalam rasio terkecil dari keseluruhan jumlah. (c) Karena subskrip di N2O sudah nomor terkecil dari seluruh kemungkinan, rumus empiris untuk nitrogen oksida adalah sama dengan rumus molekulnya. Latihan Tuliskan rumus empiris untuk kafein (C8H10N4O2), stimulan yang ditemukan dalam teh dan kopi. Rumus Senyawa Ionik Rumus senyawa ionik biasanya sama dengan rumus empiris karena senyawa ion tidak
K i m i a D a s a r 1 | 46 terdiri dari unit molekul diskrit. Misalnya, sampel padatan natrium klorida (NaCl) terdiri dari jumlah yang sama ion Na1 dan Cl2 yang diatur dalam jaringan tiga dimensi (Gambar 2.12). Dalam senyawa, ada rasio 1:1 dari kation ke anion sehingga senyawa tersebut bermuatan netral. Seperti yang dapat Anda lihat pada Gambar 2.12, tidak ada ion Na1 di NaCl dikaitkan dengan hanya satu Cl2 ion tertentu. Bahkan, masing-masing ion Na1 adalah sama-sama diikat oleh enam ion Cl2 di sekitarnya dan sebaliknya. Dengan demikian, NaCl adalah rumus empiris untuk natrium klorida. Dalam senyawa ionik lain, struktur yang sebenarnya mungkin berbeda, namun susunan kation dan anionnya sama sehingga senyawa semua elektrik netral. Perhatikan bahwa muatan pada kation dan anion tidak ditampilkan dalam formula dari senyawa ionik.
Gambar 2.12 (a) Struktur NaCl padat (b) Sebenarnya, kation saling berinteraksi dengan anion. Pada kedua gambar tersebut, gambar (a) dan (b), bulatan yang berukuran lebih kecil mewakili ion Na+ sedangkan yang berukuran lebih besar menunjukkan ion Cl‒ (c) Kristal NaCl
Agar senyawa ionik menjadi netral, jumlah muatan pada kation dan anion di masingmasing rumus harus nol. Jika muatan kation dan anion secara numerik berbeda, kami menerapkan aturan berikut untuk membuat formula elektrik netral: Subskrip dari kation secara numerik sama dengan muatan pada anion, dan subscript dari anion secara numerik sama dengan muatan pada kation. Jika muatan secara numerik adalah sama, maka tidak ada subskrip yang diperlukan. Aturan ini sesuai dengan fakta bahwa karena rumus senyawa ionik kebanyakan adalah rumus empiris, subskrip selalu harus dikurangi dengan rasio terkecil. Mari kita perhatikan beberapa contoh. Kalium Bromida. Kation kalium K1 dan anion bromin Br2 bergabung untuk membentuk senyawa ion kalium bromida. Jumlah muatan adalah 11 1 (21) 5 0, sehingga tidak ada subskrip yang diperlukan. Rumusnya adalah KBr. Seng Iodida. Kation seng Zn2+ dan anion Iodida I1- bergabung untuk membentuk seng iodida. Jumlah muatan satu ion Zn2+ dan satu ion I1- adalah +2 + (-1) = +1. Untuk membuat muatan bertambahn hingga nol kita kalikan muatan -1 dari anion dengan 2 dan menambahkan "2" subskrip ke simbol iodin. Oleh karena itu, rumus untuk seng iodida adalah ZnI2. Aluminum Oksida. Kationnya adalah Al3+ dan anion oksigen adalah O2-. Diagram berikut membantu kita menentukan subskrip untuk senyawa yang dibentuk kation dan anion:
K i m i a D a s a r 1 | 47
Jumlah muatannya adalah 2 (+3) + 3 (-2) = 0. Jadi, rumus untuk aluminium oksida adalah Al2O3. 2.7 Penamaan Senyawa Selain menggunakan rumus untuk menunjukkan komposisi molekul dan senyawa, ahli kimia telah mengembangkan sistem untuk penamaan zat berdasarkan komposisinya. Pertama, kita membaginya ke dalam tiga kategori: senyawa ionik, senyawa molekuler, dan asam dan basa. Kemudian kita menerapkan aturan tertentu untuk memperoleh nama ilmiah untuk suatu zat tertentu. Senyawa Ionik Pada Subbab 2.5 kita belajar bahwa senyawa ionik terdiri dari kation (ion positif) dan anion (ion negatif). Dengan pengecualian penting dari ion amonium, NH4+, semua kation yang menarik berasal dari atom logam. Nama kation logam diambil dari nama unsur-unsur. Misalnya, Unsur Nama Kation 1 Na natrium Na ion natrium (atau kation natrium) 1 K kalium K ion kalium (atau kation kalium) Mg magnesium Mg21 ion magnesium (atau kation magnesium) Al aluminium Al31 ion aluminium (atau kation aluminium) Kebanyakan senyawa ionik merupakan senyawa biner, atau senyawa yang hanya terbentuk dari dua unsur. Untuk senyawa biner ionik, unsur yang pertama kali disebut adalah kation logam, diikuti oleh anion non logam. Dengan demikian, NaCl adalah natrium klorida. Anion diberi nama dengan mengambil bagian pertama dari nama unsur (klorin), dan menambahkan "-ida." Kalium bromida(KBr), seng iodida (ZnI2), dan aluminium oksida (Al2O3) juga senyawa biner. Tabel 2.2 menunjukkan tatanama"-ida" dari beberapa anion monoatomik umum menurut posisi mereka dalam tabel periodik. Tabel 2.2 Tata nama "-ida" Beberapa Anion monoatomik yang umum Menurut Posisinya dalam Tabel Periodik Golongan 4A Golongan 5A Golongan 6A Golongan 7A 4– 3– 2– C Karbida (C )* N Nitrida (N ) O Oksida (O ) F Fluorida (F–) Si Silisida (Si4–) P Fosfida (P3–) S Sulfida (S2–) Cl Klorida (Cl–) Se Selenida (Se2–) Br Bromida (Br–) Te Telluride (Te22) I Iodide (I2)
K i m i a D a s a r 1 | 48 *Kata "karbida" juga digunakan untuk anion Tabel 2.3 Kation aluminium (Al3+) amonium (NH4+) barium (Ba2+) kadmium (Cd2+) kalsium (Ca2+) cesium (Cs+) kromium(III) (Cr3+) tembaga(II) atau kobalto (Co2+) tembaga(I) atau kupro (Cu+) tembaga(II) atau kupri (Cu2+) hidrogen (H+) besi(II) or ferro (Fe2+) besi(III) or ferri (Fe3+) timbal(II) atau plumbo (Pb 2+) litium (Li+) magnesium (Mg2+) mangan(II) or mangano (Mn2+) raksa(I) atau merkuro (Hg22+)* raksa(II) atau merkuri (Hg2+) kalium (K+) rubidium (Rb+) perak (Ag+) natrium (Na+) stronsium (Sr2+) timah(II) atau stano (Sn2+) seng (Zn2+)
Nama dan Rumus dari Beberapa Kation dan Anion Anorganik Umum Anion bromida (Br–) karbonat (CO3 2– ) klorat (ClO2 3–) klorida (Cl–) kromat (CrO4 2– ) sianida (CN–) dikromat (Cr2O7 2– ) dihidrogen fosfat (H2PO2– ) fluorida (F–) hidrida (H–) hidrogen karbonat atau bikarbonat (HCO2 – ) hidrogen fosfat (HPO4 2– ) hidrogen sulfat or bisulfat (HSO2–) hidroksida (OH–) iodida (I–) nitrat (NO2 –) nitrida (N3–) nitrit (NO2 –) oxide (O2–) permanganat (MnO2–) peroksida (O2 2– ) fosfat (PO4 3– ) sulfat (SO4 2– ) sulfida (S2–) sulfit (SO3 2–) tiosianat(SCN–)
Merkuri (I) ada sebagai pasangan seperti yang ditunjukkan Akhiran"-ida" juga digunakan untuk kelompok tertentu yang mengandung anion unsur-unsur yang berbeda, seperti hidroksida (OH–) dan sianida (CN–). Dengan demikian, senyawa LiOH dan KCN diberi nama litium hidroksida dan kalium sianida. Senyawa ini dan beberapa zat ionik lain disebut senyawa terner, berarti senyawa yang terdiri dari tiga unsur. Tabel 2.3 berisi daftar nama-nama dari sejumlah kation dan anion umum berdasarkan abjad. Logam tertentu, khususnya logam transisi, dapat membentuk lebih dari satu jenis kation. Contohnya adalah besi. Besi dapat membentuk dua kation: Fe2+ dan Fe3+. Prosedur yang diterima untuk menunjukkan kation yang berbeda dari unsur yang sama adalah dengan menggunakan angka Romawi. Angka romawi I digunakan untuk satu muatan positif, II untuk dua muatan positif, dan sebagainya. Ini disebut sistem Stock. Dalam sistem ini, ion Fe3+ dan Fe2+ disebut besi (II) dan besi (III), dan senyawa FeCl2 (mengandung ion Fe2+) dan FeCl3 (mengandung ion Fe3+) disebut besi-dua klorida dan besi-tiga klorida. Sebagai contoh lain, atom mangan (Mn) dapat mengasumsikan beberapa muatan positif yang berbeda: Mn2+: MnO mangan(II) oksida 3+ Mn : Mn2O3 mangan(III) oksida
K i m i a D a s a r 1 | 49
Mn4+ : MnO2 mangan(IV) oksida Nama-nama senyawa tersebut "mangan-dua oksida," "mangan-tiga oksida," dan "mangan-empat oksida." Senyawa Molekuler Tidak seperti senyawa ionik, senyawa molekuler mengandung unit molekul diskrit. Senyawa ini biasanya terdiri dari unsur-unsur non logam. Kebanyakan senyawa molekuler adalah senyawa biner. Penamaan senyawa molekuler biner mirip dengan penamaan senyawa ionik biner. Nama unsur pertama disebutkan terlebih dahulu, diikuti nama unsur kedua dengan menambahkan akhiran "-ida". Beberapa contohnya adalah HCl Hidrogen klorida SiC Silikon karbida HBr Hidrogen bromida Sangat umum bagi sepasang unsur untuk membentuk senyawa yang berbeda. Dalam kasus ini, kebingungan dalam penamaan senyawa dihindari dengan menggunakan prefiks Yunani untuk menunjukkan jumlah atom dari setiap unsur yang ada (Tabel 2.4). Pikirkan contoh berikut: CO Karbon monoksida CO2 Karbon dioksida SO2 Belerang dioksida
SO3
Belerang trioksida
NO2 N2O4
Nitrogen dioksida Dinitrogen tetroksida
Pedoman ini sangat membantu ketika kalian menamai senyawa dengan prefiks: • Awalan "mono-" dapat dihilangkan untuk unsur pertama. Misalnya, PCl3 bernama fosfor triklorida, bukan monofosfor triklorida. Dengan demikian, tidak adanya awalan untuk unsur pertama biasanya berarti bahwa hanya satu atom unsur yang ada dalam molekul. • Untuk oksida, akhiran "a" di awalan kadang-kadang diabaikan. Misalnya, N2O4 dapat disebut dinitrogen tetroksida daripada dinitrogen tetraoksida. Pengecualian penggunaan prefiks Yunani adalah terhadap senyawa molekuler yang mengandung hidrogen. Secara tradisional, kebanyakan senyawa ini disebut dengan nama umumnya secara tidak sistematis atau dengan nama-nama yang tidak menunjukkan jumlah atom H yang ada yang secara spesifik: B2H6 CH4 SiH4 NH3
Diborana Metana Silana Amonia
PH3 H2O H2S
Fosfina Air Hidrogen sulfida
Perhatikan bahwa bahkan urutan penulisan unsur-unsur dalam rumus tidak teratur. Contoh-contoh ini menunjukkan bahwa H ditulis pertama di air dan hidrogen sulfida, sedangkan H ditulis terakhir dalam senyawa lainnya.
K i m i a D a s a r 1 | 50 Rumus untuk senyawa molekuler biasanya ditulis langsung. Dengan demikian, nama arsenik trifluorida berarti bahwa ada satu atom As dan tiga atom F dalam masingmasing molekul dan rumus molekulnya AsF3. Perhatikan bahwa urutan unsur dalam rumus adalah sama seperti yang ada di namanya. Tabel 2.4 Prefiks monoditritetrapentaheksaheptaoktanonadeka-
Prefiks Yunani yang Digunakan dalam Penamaan Senyawa Molekuler Arti 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Gambar 2.13 merangkum langkah-langkah untuk penamaan senyawa ionik dan molekuler. Asam dan Basa Penamaan Asam Asam dapat digambarkan sebagai zat yang menghasilkan ion hidrogen (H+) bila dilarutkan ke dalam air. (H+) adalah setara dengan satu proton, dan sering disebut sebagai proton. Rumus untuk asam mengandung satu atom hidrogen atau lebih serta gugus anionik. Anion yang namanya diakhiri dengan “-ida" telah dihubungkan dengan asam berawalan" hidro-"dan berakhiran "-at", seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2.5. Dalam beberapa kasus, dua nama yang berbeda diberikan untuk rumus kimia yang sama. Misalnya, HCl dikenal baik sebagai hidrogen klorida dan asam klorida. Nama yang digunakan untuk senyawa ini tergantung pada kondisi fisiknya. Dalam keadaan cair gas atau murni, HCl adalah senyawa molekul yang disebut hidrogen klorida. Ketika dilarutkan dalam air, molekul pecah menjadi ion H+ dan Cl–, dalam kondisi ini, substansi ini disebut asam klorida. Tabel 2.5 Anion F – (fluorida) Cl – (klorida) Br – (bromida) I – (iodida) CN – (sianida) S 2– (sulfida)
Beberapa Asam Sederhana Asam yang Sesuai HF (asam hidrofluorida) HCl (asam hidroklorida) HBr (asam hidrobromida) HI (asam hidroiodida) HCN (asam hidrosianida) H2S (asam hidrosulfida)
Asam okso adalah asam yang mengandung hidrogen, oksigen, dan unsur lain (unsur pusat). Rumus dari asam okso biasanya ditulis dengan H pertama, diikuti oleh
K i m i a D a s a r 1 | 51
unsur pusat dan kemudian O. Kami menggunakan lima asam umum berikut sebagai referensi kami dalam penamaan asam okso: H2CO3 asam karbonat H3PO4 asam fosfat HClO3 asam klorat H2SO4 asam sulfat HNO3 asam nitrat Seringkali dua atau lebih asam okso memiliki atom pusat yang sama tetapi memiliki nomor yang berbeda pada atom O. Dimulai dengan asam okso referensi kami, yang namanya semua berakhir dengan "-at," kita menggunakan aturan berikut untuk nama senyawa ini. 1. Penambahan satu atom O pada asam "-at": asam ini disebut asam "per. . . -at ". Dengan demikian, penambahan satu atom O pada HClO3 mengubah asam klorat menjadi asam perklorat, HClO4. 2. Penghapusan satu atom O dari asam "-at": asam ini disebut asam "-it". Dengan demikian, asam nitrat, HNO3, menjadi asam nitrit, HNO2. 3. Penghapusan dua atom O dari asam "-at": asam ini disebut asam "hipo. . . -it ". Jadi, ketika HBrO3 diubah menjadi HBrO, asam ini disebut asam hipobromit. Aturan untuk penamaan anion dari asam okso, disebut oksoanion: 1. Ketika semua ion H dikeluarkan dari asam "-at", nama anion ini berakhir dengan "at". Sebagai contoh, anion CO32– yang berasal dari H2CO3 disebut karbonat. 2. Ketika semua ion H dikeluarkan dari asam "-it", nama anion itu berakhiran dengan "-it." Dengan demikian, anion ClO22– yang berasal dari HClO2 disebut klorit. 3. Nama-nama anion di mana satu atau lebih (tetapi tidak semua) ion hidrogen telah dihapus harus mengindikasikan jumlah ion H yang ada. Sebagai contoh, perhatikan anion yang berasal dari asam fosfat: H3PO4 Asam fosfat HPO42– Hidrogen fosfat H2PO4– Dihidrogen fosfat PO43– Fosfat Perhatikan bahwa kita biasanya menghilangkan awalan "mono-" ketika hanya ada satu H di anion. Tabel 2.6 memberikan nama-nama asam okso dan oksoanion yang mengandung klorin, dan Gambar 2.14 merangkum tatanama untuk asam okso dan oksoanion. Table 2.6 Asam HClO 4 (asam perklorat) HClO 3 (asam klorat) HClO 2 (asam klorit) HClO (asam hipoklorit)
Nama asam Okso dan Oksoanion yang Mengandung Klorin Anion ClO 4 – (perklorat) ClO 3 – (klorat) ClO 2 – (klorit) ClO – (hipoklorit)
K i m i a D a s a r 1 | 52 Penghilangan Asam Okso
Semua ion H+
asam per--at
Oksoanion
per--at
+[O]
asam per--at
-at
–[O]
asam “-it”
-it
–[O]
asam hipo--it
hipo--it
Gambar 2.14 Penamaan Asam Okso dan Oksoanion Penamaan Basa Basa dapat digambarkan sebagai zat yang menghasilkan ion hidroksida (OH–) ketika dilarutkan dalam air. Beberapa contoh adalah NaOH Natrium hidroksida Ba(OH)2 Barium hidroksida KOH Kalium hidroksida Amonia (NH3), merupakan suatu senyawa molekuler dalam fase gas atau cair murni, juga diklasifikasikan sebagai basa umum. Sepintas hal ini mungkin tampaknya menjadi pengecualian untuk definisi basa. Perhatikan bahwa basa dapat melepaskan ion hidroksida dalam air, tetapi amonia tidak mengandung ion hidroksida dalam strukturnya untuk menjadikannya sebagai basa. Akan tetapi, pada kenyataannya, ketika amonia larut dalam air, NH3 bereaksi sebagian dengan air untuk menghasilkan ion NH4+ dan OH–. Dengan demikian, amonia dapat diklasifikasikan sebagai basa. Hidrat Hidrat merupakan senyawa yang memiliki jumlah molekul air spesifik yang menempel pada senyawanya. Misalnya, dalam keadaan normal, setiap unit tembaga(II) sulfat memiliki lima molekul air yang terikat dengannya. Nama sistematis untuk senyawa ini adalah tembaga(II) sulfat pentahidrat, dan rumusnya ditulis sebagai CuSO4.5H2O. Molekul-molekul air dapat dihilangkan dengan pemanasan. Ketika ini terjadi, senyawa yang dihasilkan adalah CuSO4, yang kadang-kadang disebut tembaga sulfat(II) anhidrat, "anhidrat" berarti bahwa senyawa tersebut tidak lagi memiliki molekul air yang terikat. Beberapa hidrat lain BaCl2.2H2O barium klorida dihidrat LiCl.H2O lithium klorida monohidrat
K i m i a D a s a r 1 | 53
MgSO4.7H2O
magnesium sulfat heptahidrat
Review dan Soal-soal Struktur Atom Review 2.1 Tentukan istilah-istilah: (a) α partikel, (b) β partikel, (c) γ ray, (d) X ray. 2.2 Sebutkan jenis-jenis radiasi yang dikenal yang diemisikan oleh unsur-unsur radioaktif. 2.3 Bandingkan sifat-sifat: α partikel, sinar katoda, proton, neutron, dan elektron. Apa yang dimaksud dengan "partikel dasar"? 2.4 Jelaskan kontribusi dari para ilmuwan ini untuk pengetahuan kita tentang struktur atom: JJ Thomson, RA Millikan, Ernest Rutherford, James Chadwick. 2.5 Sebuah sampel unsur radioaktif kehilangan massa secara bertahap. Jelaskan apa yang terjadi pada sampel. 2.6 Jelaskan secara eksperimental bahwa inti menempati sebagian kecil dari volume atom. Soal-soal 2.7 Diameter sebuah atom helium netral adalah sekitar 1× 102 pm. Misalkan kita bisa berbaris di sisi atom helium secara berdampingan dengan kontak dengan satu sama lain. Kira-kira berapa banyak atom yang dibutuhkan untuk membuat jarak dari ujung ke ujung 1 cm? 2.8 Secara kasar, jari-jari atom adalah 10.000 kali lebih besar dari intinya. Jika atom diperbesar sehingga jari-jari intinya menjadi 10 cm, berapa jari-jari atom dalam mil? (1 mil 5 1.609 m.)
K i m i a D a s a r 1 | 54 Nomor atom, Nomor Massa, dan Isotop Review 2.9 Tentukan istilah-istilah: (a) nomor atom, (b) nomor massa. Mengapa pengetahuan tentang nomor atom memungkinkan kita untuk menyimpulkan jumlah elektron yang ada dalam atom? 2.10 Mengapa semua atom suatu unsur memiliki nomor atom yang sama, meskipun mereka mungkin memiliki nomor massa yang berbeda? Disebut apakah atom dari unsur yang sama dengan nomor massa yang berbeda? Jelaskan arti dari setiap istilah dalam simbol AZX. Soal-soal 2.11 Berapa nomor massa atom besi yang memiliki 28 neutron? 2.12 Hitung jumlah neutron dari 239Pu. 2.13 Untuk masing-masing spesies, tentukan jumlah proton dan jumlah neutron dalam inti: 3 25 48 79 195 4 24 2𝐻𝑒 , 2𝐻𝑒 , 12𝑀𝑔, 12𝑀𝑔, 22𝑇𝑖 , 35𝐵𝑟 , 78𝑃𝑡 2.14 Tunjukkam jumlah proton, neutron, dan elektron pada masing-masing spesies: 33 63 84 130 202 15 186 7𝑁 , 16𝑆, 29𝐶𝑢 , 38𝑆𝑟 , 56𝐵𝑎 , 74𝑊 , 80𝐻𝑔 2.15 Tulislah simbol yang tepat untuk masing-masing isotop: (a) Z=11, A=23; (b) Z= 28, A= 64. 2.16 Tulislah simbol yang tepat untuk masing-masing isotop: (a) Z= 74, A= 186, (b) Z= 80, A= 201. Tabel Periodik Review 2.17 Apakah yang dimaksud dengan tabel periodik, dan apa yang maknanya dalam kajian kimia? Apakah yang dimaksud golongan dan periode dalam tabel periodik? 2.18 Berikan dua perbedaan antara logam dan bukan logam. 2.19 Tuliskan nama dan simbol untuk empat unsur dalam masing-masing kategori: (a) nonlogam, (b) logam, (c) metaloid. 2.20 Tanpa melihat tabel periodik, beri nama masing-masing golongan yang berhuruf dalam tabel berikut. Berikan dua contoh dari masing-masing golongan. A B C D
Soal-soal
K i m i a D a s a r 1 | 55
2.21 Unsur yang namanya diakhiri dengan "-ium" biasanya logam, natrium adalah salah satu contoh. Identifikasi unsur nonlogam yang namanya juga berakhir dengan "ium-." 2.22 Jelaskan perubahan sifat (dari logam ke nonlogam atau dari nonlogam ke logam) dalam (a) golongan pada tabel periodik dan (b) periode pada tabel periodik. 2.23 Lihat buku pegangan terkait data kimia dan fisik (tanya dosen Anda di mana Anda dapat menemukan salinan buku pegangan) untuk menemukan (a) dua logam yang kurang padat dari air, (b) dua logam yang lebih padat dari raksa, (c) unsur logam terpadat yang dikenal, (d) unsur nonlogam terpadat yang dikenal. 2.24 Kelompokkan unsur-unsur secara berpasangan yang menurut Anda menunjukkan sifat kimia yang mirip: K, F, P, Na, Cl, dan N. Molekul dan Ion Review 2.25 Apa perbedaan antara atom dan molekul? 2.26 Apakah alotrop itu? Berikan contoh. Bagaimana alotrop berbeda dari isotop? 2.27 Jelaskan dua model molekul yang umum digunakan. 2.28 Berikan contoh dari masing-masing: (a) kation mononatomik, (b) anion monoatomik, (c) kation poliatomic, (d) anion poliatomik. Soal-soal 2.29 Manakah dari diagram berikut menunjukkan molekul diatomik, molekul poliatomik, molekul yang bukan merupakan senyawa, molekul yang merupakan senyawa, atau bentuk unsur suatu zat?
(a) 2.31 H2, 2.32
(b)
(c)
Identifikasi zat berikut sebagai unsur atau senyawa: NH3, N2, S8, NO, CO, CO2, SO2. Berikan dua contoh dari masing-masing berikut ini: (a) molekul diatomik yang mengandung atom dari unsur yang sama, (b) molekul diatomik yang mengandung atom dari unsur yang berbeda, (c) molekul poliatomik yang mengandung atom dari unsur yang sama, (d ) molekul poliatomik yang mengandung atom-atom unsur yang berbeda. 2.33 Berikan jumlah proton dan elektron pada setiap ion berikut: Na+, Ca2+, Al3+, Fe2+, I–, F–, S2–, O2–, N3–.
K i m i a D a s a r 1 | 56 2.34
Berikan jumlah proton dan elektron di setiap ion umum berikut: K+, Mg2+, Fe3+, Br–, Mn2+, C4–, Cu2+.
Rumus Kimia Ulasan Pertanyaan 2.35 Apakah menunjukkan rumus kimia? Apa rasio atom dalam rumus molekul berikut? (a) NO, (b) NCl3, (c) N2O4, (d) P4O6 2.36 Tentukan rumus molekul dan rumus empiris. Apa persamaan dan perbedaan antara rumus empiris dan rumus molekul senyawa? 2.37 Berikan contoh kasus di mana dua molekul memiliki rumus molekul yang berbeda tetapi rumus empiris yang sama. 2.38 Apakah arti P4? Bagaimana P4 berbeda dari 4P? 2.39 Apa yang dimaksud senyawa ionik? Bagaimana kenetralan listrik dapat terjadi dalam senyawa ionik? 2.40 Jelaskan mengapa rumus kimia senyawa ionik biasanya sama dengan rumus empirisnya. Soal-soal 2.41 Apa rumus empiris dari senyawa berikut? (a) C2N2, (b) C6H6, (c) C9H20, (d) P4O10, (e) B2H6 2.42 Apa rumus empiris dari senyawa berikut? (a) Al2Br6, (b) Na2S2O4, (c) N2O5, (d) K2Cr2O7 2.43 Tuliskan rumus molekul dari glisin, asam amino yang ada dalam protein. Kode warna: hitam (karbon), biru (nitrogen), merah (oksigen), dan abu-abu (hidrogen).
2.45 2.46
Manakah dari senyawa berikut kemungkinan akan ionik? Mana yang mungkin menjadi molekul? SiCl4, LiF, BaCl2, B2H6, KCl, C2H4 Manakah dari senyawa berikut kemungkinan akan ionik? Mana yang mungkin menjadi molekul? CH4, NaBr, BaF2, CCl4, ICl, CsCl, NF3
Penamaan Senyawa Soal-soal
K i m i a D a s a r 1 | 57
2.47 Nama senyawa ini: (a) Na2CrO4, (b) K2HPO4, (c) HBr (gas), (d) HBr (dalam air), (e) Li2CO3, (f) K2Cr2O7, (g) NH4NO2, (h) PF3, (i) PF5, (j) P4O6, (k) CdI2, (l) SrSO4, (m) Al(OH)3, (n) Na2CO3.10H2O. 2.48 Nama senyawa ini: (a) KClO, (b) Ag2CO3, (c) FeCl2, (d) KMnO4, (e) CsClO3, (f) HIO, (g) FeO, (h) Fe2O3, (i) TiCl4, (j) NaH, (k) Li3N, (l) Na2O, (m) Na2O2, (n) FeCl3.6H2O. 2.49 Tuliskan rumus untuk senyawa ini: (a) rubidium nitrit, (b) kalium sulfida, (c) asam perbromat, (d) magnesium fosfat, (e) kalsium hidrogen fosfat, (f) boron triklorida, (g) iodium heptafluorida, (h) amonium sulfat, (i) perak perklorat, (j) besi(III) kromat, (k) kalsium sulfat dihidrat. 2.50 Tuliskan rumus untuk senyawa ini: (a) tembaga(I) sianida, (b) stronsium klorit, (c) asam perklorat, (d) asam hidroiodida, (e) dinatrium amonium fosfat, (f) timbal(II) karbonat, (g) timah(II) fluorida, (h) tetrafosforus dekasulfida, (i) raksa(II) oksida, (j) raksa(I) iodida, (k) kobalt II) klorida heksahidrat. Soal-soal Tambahan 2.51 Salah satu isotop unsur logam memiliki nomor massa 65 dan memiliki 35 neutron di dalam inti. Kation berasal dari isotop memiliki 28 elektron. Tuliskan simbol untuk kation ini. 2.52 Manakah dari salah satu pasangan dua spesies yang saling menyerupai sama lain yang memiliki sifat kimia paling dekat? (a) 11𝐻 dan 11𝐻 +, (b) 147𝑁 dan 147𝑁3–, (c) 126𝐶 dan 136𝐶 . 2.53 Tabel ini menunjukkankan jumlah elektron, proton, dan neutron dalam atom atau ion dari sejumlah unsur. (a) Manakah dari spesies yang netral? (b) Yang bermuatan negatif? (c) Yang bermuatan positif? (d) Apa simbol konvensional untuk semua spesies? Atom atau ion A B C D E F G unsur Jumlah elektron 5 10 18 28 36 5 9 Jumlah proton 5 7 19 30 35 5 9 Jumlah neutron 5 7 20 36 46 6 10 2.54 Apa yang salah atau ambigu dari deskripsi ini? (a) 1 g hidrogen, (b) empat molekul NaCl. 2.55 Berikut ini adalah sulfida fosfor yang dikenal: P4S3, P4S7, dan P4S10. Apakah senyawa ini mematuhi hukum proporsi ganda? 2.56 Manakah yang termasuk unsur, manakah yang termasuk molekul tetapi bukan senyawa, manakah yang merupakan senyawa tetapi bukan molekul, dan manakah yang keduanya termasuk senyawa dan molekul?(a) SO2, (b) S8, (c) Cs, (d) N2O5, (e) O, (f) O2, (g) O3, (h) CH4, (i) KBr, (j) S, (k) P4, (l) LiF. 2.57 Tentukan rumus molekul dan empiris senyawa ditampilkan di sini. (Bola hitam adalah karbon dan bola abu-abu adalah hidrogen).
K i m i a D a s a r 1 | 58
(a)
(b)
(c)
(d)
2.58
Beberapa senyawa lebih dikenal dengan nama umum mereka daripada dengan nama sistematis kimia mereka. Cari keterangan melalui sebuah buku pegangan, kamus, atau dosen Anda untuk rumus kimia zat: (a) es kering, (b) garam meja, (c) gas tertawa, (d) marmer (kapur, batu kapur), (e ) kapur, (f) kapur, (g) baking soda, (h) susu magnesium. 2.59 Isi kekosongan dalam tabel ini: 54 2+ Simbol 26𝐹𝑒 Proton 5 79 86 Neutron 6 16 117 136 Elektron 5 18 79 23 0 2.60 (a) Manakah unsur yang paling mungkin untuk membentuk senyawa ionik? (b) Manakah unsur logam yang paling cenderung untuk membentuk kation dengan muatan yang berbeda? 2.61 Banyak senyawa ionik yang tersusun dari aluminium (logam golongan 3A ) atau logam dari golongan 1A atau golongan 2A dan nonlogam–, oksigen, nitrogen, atau halogen (golongan7A). Tuliskan semua rumus kimia dan nama dari semua senyawa biner yang dapat dihasilkan dari kombinasi tersebut. 2.62 Simbol manakah yang memberikan informasi tentang atom: 23Na atau 11Na? Jelaskan. 2.63 Tuliskan rumus kimia dan nama asam yang mengandung unsur-unsur golongan 7A. Lakukan hal yang sama untuk unsur golongan 3A, 4A, 5A, dan 6A. 2.64 Sebagian besar isotop unsur-unsur ringan seperti oksigen dan fosfor mengandung jumlah proton dan neutron yang relatif sama di dalam inti, hasil terbaru menunjukkan bahwa kelompok baru yang disebut isotop neutron-kaya isotop dapat disiapkan. Neutron-kaya isotop ini mendorong batas stabilitas nuklir dengan jumlah neutron yang besar mendekati "garis neutron drip." Netron kaya isotop ini mungkin memainkan peran penting dalam reaksi nuklir bintang. Tentukan jumlah neutron dalam neutron-kaya isotop berikut: (a) 40Mg, (b) 44Si, (c) 48Ca, (d) 43 Al. 2.65 Manakah pasangan dari kelompok unsur-unsur berikut yang Anda harapkan untuk menunjukkan sifat kimia yang mirip: K, F, P, Na, Cl, dan N. 2.66 Daftar unsur-unsur yang ada sebagai gas di dalam suhu ruang . (Petunjuk: Semua unsur kecuali unsur dapat ada di golongan 5A, 6A, 7A, dan 8A.) 2.67 Logam golongan 1B , Cu, Ag, dan Au, disebut logam koin. Apa sifat kimia membuat mereka cocok untuk dibuat menjadi koin dan perhiasan?
K i m i a D a s a r 1 | 59
2.68 Unsur-unsur di golongan 8A dari tabel periodik disebut gas mulia. Dapatkah Anda menebak arti "mulia" dalam konteks ini? 2.69 Rumus untuk kalsium oksida adalah CaO. Apa rumus untuk magnesium oksida dan cesium oksida? 2.70 Mineral barium secara umum adalah barit, atau barium sulfat (BaSO4). Kelompok unsur-unsur dalam sistem periodik yang sama memiliki sifat kimia yang mirip, oleh karena itu kita mungkin berharap untuk menemukan beberapa radium sulfat (RaSO4) dicampur dengan barit karena radium adalah anggota terakhir golongan 2A. Namun, satu-satunya sumber senyawa radium di alam ada dalam mineral uranium. Kenapa? 2.71 Fluor bereaksi dengan hidrogen (H) dan dengan deuterium (D) untuk membentuk hidrogen fluorida (HF) dan deuterium fluorida (DF) [deuterium ( 21𝐻 ) merupakan isotop hidrogen]. Apakah fluor dengan jumlah tertentu akan bereaksi dengan dua isotop hidrogen yang memiliki massa berbeda? Apakah ini melanggar hukum proporsi pasti? Jelaskan. 2.72 Memprediksi rumus dan nama senyawa biner yang terbentuk dari unsur-unsur: (a) Na dan H, (b) B dan O, (c) Na dan S, (d) Al dan F, (e) F dan O, (f) Sr dan Cl. 2.73 Isi kekosongan dalam tabel berikut. Kation Anion Rumus Nama Magnesium bicarbonate SrCl2 Fe3+ NO2 – Mangan(II) chlorate SnBr4 Co2+ PO32– Hg22+ I– Cu2CO3 Litium nitrida Al3+ S2– 2.74 36 6A 2.75
Identifikasi masing-masing unsur berikut: (a) anion halogen yang mengandung elektron, (b) gas mulia radioaktif dengan 86 proton, (c) anion unsur golongan yang mengandung 36 elektron, (d) suatu kation logam alkali yang berisi 36 elektron, (e) kation golongan 4A yang mengandung 80 elektron. Tuliskan rumus molekul untuk dan nama dari senyawa berikut.
Soal-soal Khusus
K i m i a D a s a r 1 | 60 2.76 Massa dan energi adalah aspek alternatif dari satu kesatuan yang disebut massaenergi. Hubungan antara kedua besaran fisika adalah persamaan terkenal Einstein, E = mc2, di mana E adalah energi, m adalah massa, dan c adalah kecepatan cahaya. Dalam sebuah percobaan pembakaran, ditemukan bahwa 12,096 g molekul hidrogen dikombinasikan dengan 96,000 g molekul oksigen untuk membentuk air dan melepaskan 1,715 3×103 kJ panas. Hitung perubahan massa yang sesuai dalam proses ini dan berikan komentar apakah hukum kekekalan massa berlaku untuk proses kimia biasa. (Petunjuk: Persamaan Einstein dapat digunakan untuk menghitung perubahan massa sebagai akibat dari perubahan energi. 1 J = 1 kg m2/s2 dan c= 3.00× 108 m/s.) 2.77 (a) Jelaskan eksperimen Rutherford dan bagaimana hal itu menyebabkan struktur atom. Bagaimana ia dapat memperkirakan jumlah proton di dalam inti sel dari hamburan sebuah partikel? (b) Pertimbangkan atom 23Na. Mengingat bahwa radius dan massa inti adalah 3,04×10–15 m dan 3,82×10–23, masing-masing, hitung kepadatan inti nukleus dalam g/cm3. Jari-jari atom 23Na adalah 186 pm. Hitung kepadatan ruang yang terisi oleh elektron dalam atom natrium. Apakah hasil Anda mendukung model atom Rutherford? [Volume bola adalah (4/3) Пr3, di mana r adalah jari-jari.] 2.78 Etana dan asetilena adalah dua gas hidrokarbon. Analisis kimia menunjukkan bahwa dalam satu sampel dari etana, 2,65 g karbon dikombinasikan dengan 0,665 g hidrogen, dan dalam satu sampel asetilena, 4,56 g karbon dikombinasikan dengan 0,383 g hidrogen. (a) Apakah ini hasil yang konsisten dengan hukum proporsi ganda? (b) Tilis rumus molekul untuk senyawa ini. 2.79 Gambarkan dua rumus struktural yang berbeda berdasarkan rumus molekul C2H6O. Apakah nyata apabila Anda dapat memiliki lebih dari satu senyawa dengan rumus molekul sama yang konsisten dengan teori atom Dalton? 2.80 Ion monoatomik memiliki muatan +2. Inti dari atom induk memiliki nomor massa 55. Jika jumlah neutron dalam inti adalah 1,2 kali dari jumlah proton, apa nama dan simbol unsur tersebut? 2.81 Nama asam berikut adalah:
K i m i a D a s a r 1 | 61
BAB 3. STOIKIOMETRI Deskripsi: Massa Atom dan Massa Molar Massa atom yang sangat kecil ditentukan berdasarkan perbandingannya dengan massa isotop karbon-12. Sebuah atom isotop karbon-12 memiliki massa tepat 12 unit massa atom (amu). Sedangkan untuk kepentingan pengukuran dengan satuan gram, para ahli kimia menggunakan istilah massa molar. Massa molar karbon-12 adalah tepat 12g dan terdiri dari sejumlah atom sebanyak bilangan Avogadro (6,022 x 1023). Massa molar unsur lainnya juga dapat dinyatakan dalam gram dan mengandung jumlah atom yang sama. Massa molar molekul adalah jumlah massa molar dari atom-atom penyusunnya. Persen Komposisi Senyawa Komposisi dari suatu senyawa biasanya dinyatakan dalam bentuk persen komposisi, yaitu persen massa dari masing-masing unsur yang terkandung dalam senyawa. Jika diketahui rumus kimianya, maka persen komposisi unsur dalam senyawa tersebut dapat dihitung. Percobaan untuk menentukan persen komposisi dan massa molar senyawa juga memungkinkan untuk menentukan rumus kimia suatu senyawa. Penulisan Persamaan Reaksi Kimia Cara yang paling efektif untuk menunjukkan hasil reaksi adalah dengan menuliskan persamaan reaksinya menggunakan rumusrumus kimia. Persamaan reaksi menjelaskan perubahan yang sesungguhnya terjadi, zat mula-mula yang berubah menjadi zat baru. Dalam persamaan reaksi, jumlah dan jenis atom reaktan, zat mula-mula yang mengalami reaksi, sebanding dengan jumlah dan jenis atom produk, zat baru yang terbentuk sebagai hasil reaksi. Hubungan Massa dalam Reaksi Kimia Persamaan reaksi memungkinkan kita untuk memprediksi banyaknya produk reaksi yang terbentuk, yang disebut hasil, serta mengetahui banyaknya reaktan yang bereaksi atau berubah menjadi hasil reaksi. Informasi ini sangat penting dalam reaksi kimia, baik pada skala laboratorium maupun skala industri. Namun pada kenyataannya, hasil reaksi yang sesungguhnya hampir selalu lebih kecil dari pada yang diperkirakan berdasarkan perhitungan dari persamaan reaksinya. Hal ini disebabkan oleh berbagai kerumitan yang terjadi selama berlangsungnya proses reaksi. 3.1 Massa Atom Dalam bab ini, kita akan menghubungkan pengetahuan sebelumnya tentang struktur dan rumus-rumus kimia untuk mempelajari massa atom dan molekul. Kedua pengetahuan ini merupakan dasar penjelasan tentang komposisi senyawa dan perubahannya.
K i m i a D a s a r 1 | 62
6
C 12,01
Nomor Atom N o mor M a ss a
Massa atom tergantung pada jumlah elektron, proton, dan neutron yang dikandungnya. Pengetahuan tentang massa atom sangat penting untuk bekerja di laboratorium. Tetapi atom merupakan partikel yang sangat kecil, bahkan setitik terkecil debu yang dapat dilihat dengan mata telanjang mengandung sebanyak 1 x 1016 atom! Massa atom tunggal tidak dapat ditimbang secara jelas dan tepat, namun ada kemungkinan untuk menentukan massa relatif satu atom terhadap massa atom lain yang telah dapat diteliti. Langkah pertama adalah menentukan massa satu atom unsur tertentu sehingga dapat digunakan sebagai standar. Menurut perjanjian internasional, massa atom (disebut pula sebagai berat atom) adalah massa atom dalam satuan massa atom (amu). Satu satuan massa atom (1 amu) didefinisikan sebagai massa yang persis sama dengan satu per dua belas massa satu atom karbon-12 (C-12). Karbon-12 adalah isotop karbon yang memiliki enam proton dan enam neutron. Penetapan massa atom C-12 senilai 12 amu sebagai standar berguna untuk mengukur massa atom unsur-unsur yang lain. Misalnya, hasil percobaan menunjukkan bahwa massa rata-rata sebuah atom hidrogen hanya 8,400 persen dari massa atom C-12. Dengan demikian, jika massa satu atom C-12 tepat 12amu, maka massa atom hidrogen sebesar 0,084 x 12,00amu atau 1,008 Amu. Perhitungan serupa menunjukkan bahwa massa atom oksigen adalah 16,00amu dan besi 55,85amu. Jadi, meskipun kita tidak tahu persis berapa rata-rata massa atom-atom besi, kita tahu bahwa massanya adalah sekitar 56 kali lebih besar dibanding massa atom hidrogen. Massa Rata-rata Atom Ketika Anda mencari massa atom karbon dalam sebuah tabel, Anda akan menemukan bahwa nilainya tidak 12,00 amu tapi 12,01 amu. Alasan perbedaan ini adalah bahwa sebagian besar unsur secara alami memiliki lebih dari satu isotop (termasuk karbon). Hal ini menunjukkan bahwa massa atom suatu unsur yang kita ukur merupakan massa rata-rata dari campuran isotop-isotopnya di alam. Sebagai contoh, kelimpahan C-12 dan C-13 di alam secara berturut-turut adalah 98,90% dan 1,10%. Massa atom C-13 adalah 13,00335 amu. Dengan demikian, massa rata-rata atom karbon dapat dihitung sebagai berikut: massa rata-rata atom karbon
= (0,9890)(12,00000 amu) + (1,0110)(12,00335 amu) = 12,01 amu
Perhatikan bahwa dalam perhitungan yang melibatkan persentase, kita perlu mengkonversi ke bentuk pecahan. Misalnya, 98,90% menjadi 98,90/100 atau 0,9890. Karena keberadaan C-12 di alam jauh lebih banyak dibanding C-13, maka massa ratarata atom karbon lebih dekat ke 12 amu dari pada 13 amu.
K i m i a D a s a r 1 | 63
Penting untuk dipahami bahwa ketika kita mengatakan bahwa massa atom karbon adalah 12,01 amu, kita mengacu pada nilai rata-rata. Jika atom karbon dapat diperiksa secara individual, kita akan menemukan massa salah satu atom sebesar 12,00000 amu dan ada pula yang memiliki massa 13,00335 amu, tetapi tidak pernah ada atom yang memiliki massa 12,01 amu. CONTOH 3.1 Tembaga, sejenis logam yang dikenal sejak zaman kuno, merupakan salah satu bahan pembuatan kabel listrik dan uang. Massa atom dari dua isotop stabilnya, 63 29𝐶𝑢 (69,09%) 65 dan 29𝐶𝑢 (30,91%), secara berturut-turut adalah 62,93 amu dan 64,9278 amu. Hitung massa atom rata-rata tembaga. Penyelesaian Pertama, persen dikonversi dalam bentuk pecahan : 69,09% menjadi 69,09/100 atau 0,6909 dan 30,91% menjadi 30,91/100 atau 0,3091. Dari data tersebut diketahui kontribusi massa masing-masing isotop terhadap massa atom rata-rata, kemudian tambahkan tiap kontribusi untuk memperoleh massa atom rata-ratanya. (0,6909) (62,93 amu) + (0,3091) (64,9278 amu) = 63.55 amu
Latihan Massa atom dari dua isotop stabil dari boron, 105𝐵 (19,78%) dan 115𝐵 (80,22%), masing-masing adalah 10,0129 amu dan 11,0093 amu. Hitung massa rata-rata atom boron. Massa atom dari berbagai unsur telah dapat ditentukan secara akurat hingga lima atau enam angka signifikan. Namun, untuk tujuan pembelajaran biasanya massa atom hanya menggunakan hingga empat angka signifikan. Untuk mempermudah, kita akan menghilangkan penggunaan kata "rata-rata" dalam pembahasan massa atom unsur. REVIEW Massa atom helium (He), seperti yang tertulis pada tabel periodik adalah 4,003 amu. Mengingat bahwa ada dua isotop stabil He, 32𝐻𝑒 dan 42𝐻𝑒, berapakah kemungkinan ditemukan atom helium dengan massa 4,003 jika dipilih secara acak ? 3.2 Bilangan Avogadro dan Massa Molar Unsur Satuan massa atom merupakan skala relatif untuk massa unsur. Tetapi karena atom memiliki massa yang sangat kecil, tidak ada neraca yang dapat digunakan untuk menimbang hingga satuan massa atom tersebut. Dalam kondisi sebenarnya, kita hanya
K i m i a D a s a r 1 | 64 berhubungan dengan sampel makroskopik yang mengandung sejumlah besar atom. Oleh karena itu, akan lebih mudah jika kita memiliki satuan khusus untuk menggambarkan jumlah atom yang sangat besar. Ide untuk menunjukkan jumlah tertentu partikel dalam sebuah objek bukan merupakan hal baru. Misalnya, sepasang (2 item), lusinan (12 item), dan gross (144 item), semua satuan tersebut terdiri dari zat yang sama. Para ahli kimia mengukur jumah atom dan molekul dalam mol. Dalam sistem Satuan Internasional (SI), mol adalah jumlah zat yang mengandung sejumlah elemen dasar penyusun zat tersebut (atom, molekul, atau partikel lain), seperti adanya sejumlah atom dalam 12 g (0,012 kg) isotop karbon-12. Jumlah atom sebenarnya dalam 12 g isotop C-12 ditentukan secara eksperimen. Jumlah atom yang ditemukan disebut dengan Bilangan Avogadro (NA), untuk menghormati ilmuwan Itali, Amedeo Avogadro. Nilai bilangan Avogadro tersebut adalah : NA = 6,0221415 x 1023 Umumnya, bilangan Avogadro dibulatkan menjadi 6,022 x 1023. Dengan demikian, seperti halnya satu lusin jeruk yang mengandung 12 jeruk, 1 mol atom hidrogen mengandung 6,022 x 1023 atom H. Gambar 3.1 menunjukkan sampel yang mengandung beberapa unsur berbeda yang jumlahnya masing-masing 1 mol.
Gambar 3.1 Satu mol unsur dalam tiap gambar di atas. Karbon (serbuk hitam), belerang (serbuk kuning), besi (berupa paku), tembaga (kawat), dan raksa (logam cair mengkilap).
Besarnya bilangan Avogadro sangat sulit untuk dibayangkan. Sebagai contoh, jika kita menyebarkan 6,022 x 1023 jeruk di seluruh permukaan bumi akan menghasilkan lapisan setebal 9 mil! Karena atom (dan molekul) sangat kecil, kita memerlukan sebuah angka yang cukup besar namun terjangkau untuk dapat dipelajari. Kita telah mengetahui bahwa satu mol karbon-12 atom memiliki massa tepat 12 g dan mengandung 6,022 x 1023 atom. Massa karbon-12 ini disebut massa molar yang
K i m i a D a s a r 1 | 65
didefinisikan sebagai massa (dalam gram atau kilogram) dari satu mol unit (seperti atom atau molekul) suatu zat. Perhatikan bahwa angka massa molar karbon-12 (dalam gram) sama dengan massa atom dalam satuan amu. Dengan demikian, massa atom natrium (Na) adalah 22,99 amu dan massa molarnya adalah 22,99 g; massa atom fosfor adalah 30,97 amu dan massa molarnya adalah 30,97 g, dan sebagainya. Jika kita mengetahui massa atom suatu unsur, maka kita juga tahu massa molarnya. Dengan mengetahui massa molar dan bilangan Avogadro, kita dapat menghitung massa atom tunggal dalam gram. Sebagai contoh, kita telah mengetahui massa molar karbon-12 adalah 12,00 g dan mengandung 6,022 x 1023 atom karbon-12 dalam satu mol zat. Oleh karena itu, massa satu atom karbon-12 dapat dihitung sebagai berikut. 12,00 𝑔 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝐶 − 12 = 1,993 × 10−23 𝑔 6,022 × 1023 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝐶 − 12 Hasil diatas dapat digunakan untuk menentukan hubungan antara satuan massa atom (amu) dan gram. Karena massa setiap atom karbon-12 adalah tepat 12 amu, maka angka satuan massa atom yang setara dengan satu gram adalah 𝑎𝑚𝑢 12 𝑎𝑚𝑢 1 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝐶 − 12 = × = 6,022 × 1023 𝑎𝑚𝑢⁄𝑔 𝑔𝑟𝑎𝑚 1 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝐶 − 12 1,993 × 10−23 𝑔 Sehingga, 1 𝑔 = 6,022 × 1023 𝑎𝑚𝑢 dan 1 𝑎𝑚𝑢 = 1,661 × 10−24 𝑔 Contoh ini menunjukkan bahwa bilangan Avogadro dapat digunakan untuk mengkonversi satuan massa atom (amu) dalam gram dan sebaliknya. Massa Unsur (m)
m/M nM
Jumlah Mol Unsur (n)
nNA n/NA
Jumlah Atom Unsur (N)
Gambar 3.2 Hubungan antara massa suatu unsur (dalam gram) dan jumlah mol unsur tersebut, serta antara jumlah mol suatu unsur dan jumlah atom unsur tersebut. M adalah massa molar unsur (gram/mol) dan NA adalah bilangan Avogadro.
Konsep bilangan Avogadro dan massa molar memungkinkan kita untuk mengkonversi massa dan mol atom serta antara mol dan jumlah atom (Gambar 3.2). Dalam perhitungan kita akan menggunakan faktor konversi berikut. 1 𝑚𝑜𝑙 𝑋 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑋
dan
1 𝑚𝑜𝑙 𝑋 6,022 × 1023 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝑋
K i m i a D a s a r 1 | 66 dimana X melambangkan unsur. Dengan menggunakan faktor konversi yang tepat kita dapat mengkonversi satu kuantitas menjadi kuantitas yang lain, seperti pada contoh 3.2 sampai 3.4. CONTOH 3.2 Seng (Zn) merupakan logam keperakan yang digunakan dalam pembuatan kuningan (dengan tembaga) dan melapisi besi untuk mencegah korosi. Berapa gram Zn yang ada dalam 45,9 g Zn? Penyelesaian Faktor konversi diperlukan untuk mengkonversi gram menjadi mol adalah massa molar. Dalam tabel periodik dapat diketahui bahwa massa molar Zn adalah 65,39 g. Hal ini dapat dinyatakan sebagai 1 mol Zn = 65,39 g Zn Dari persamaan ini, kita dapat menulis dua faktor konversi 1 𝑚𝑜𝑙 𝑍𝑛 65,39 𝑔 𝑍𝑛 dan 65,39 𝑔 𝑍𝑛 1 𝑚𝑜𝑙 𝑍𝑛 Faktor konversi di sebelah kiri adalah yang benar. Massa dalam gram dapat dihilangkan sehingga meninggalkan satuan mol. Jumlah mol Zn adalah 1 𝑚𝑜𝑙 𝑍𝑛 45,9 𝑔 𝑍𝑛 × = 0,702 𝑚𝑜𝑙 𝑍𝑛 65,39 𝑔 𝑍𝑛 Dengan demikian, terdapat 0,702 mol Zn dalam 45,9 g Zn Perhatikan ! Karena massa Zn (45,9 g) kurang dari massa molar Zn (65,39 g), maka diharapkan hasilnya akan kurang dari 1 mol. Latihan Hitunglah berapa gram timbal (Pb) dalam 12,4 mol timbal ! CONTOH 3.3 Belerang (S) merupakan unsur nonlogam yang terdapat dalam batubara. Ketika batubara dibakar, sulfur berubah menjadi sulfur dioksida dan akhirnya menjadi asam sulfat, yang menimbulkan fenomena hujan asam. Berapa banyak atom S dalam 25,1 g belerang ? Penyelesaian Kita memerlukan dua faktor konversi : (1) dari gram ke mol, dan (2) dari mol ke jumlah partikel (atom). Langkah pertama mirip dengan contoh 3.2. Karena 1 mol S = 32.07 g S, maka faktor konversinya adalah 1 𝑚𝑜𝑙 𝑆 32,07 𝑔 𝑆
K i m i a D a s a r 1 | 67
Bilangan Avogadro adalah kunci untuk langkah kedua. Kita tahu bahwa 1 𝑚𝑜𝑙 = 6,022 × 1023 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑘𝑒𝑙 (𝑎𝑡𝑜𝑚) dan dengan faktor konversi 6,022 × 1023 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝑆 1 𝑚𝑜𝑙 𝑆 dan 1 𝑚𝑜𝑙 𝑆 6,022 × 1023 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝑆 Faktor konversi di sebelah kiri adalah yang kita butuhkan karena memiliki jumlah atom S sebagai pembilang. Penyelesaian pertama dimulai dengan menghitung jumlah mol yang terkandung dalam 25,1 g S dan kemudian menghitung jumlah atom S dari sejumlah mol S. gram S mol S jumlah atom S Kita dapat menggabungkan beberapa faktor konversi tersebut dalam satu langkah sebagai berikut : 1 𝑚𝑜𝑙 𝑆 6,022 × 1023 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝑆 25,1 𝑔 𝑆 × × = 4,71 × 1023 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝑆 32,07 𝑔 𝑆 1 𝑚𝑜𝑙 𝑆 Dengan demikian, terdapat 4,71 x 1023 atom belerang dalam 25,1 g belerang. Latihan Hitung jumlah atom dalam 0,551 g kalium (K) ! CONTOH 3.4 Perak (Ag) adalah logam mulia yang digunakan terutama untuk perhiasan. Berapakah massa (dalam gram) dari satu atom Ag ? Penyelesaian Karena 1 mol atom Ag mengandung 6,022 x 1023 atom Ag dan memiliki massa 107,9 g maka kita dapat menghitung massa satu atom Ag sebagai berikut. 1 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝐴𝑔 ×
1 𝑚𝑜𝑙 𝐴𝑔 107,9 𝑔 × = 1,792 × 10−22 𝑔 23 6,022 × 10 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝐴𝑔 1 𝑚𝑜𝑙 𝐴𝑔
Perhatikan ! Karena 6,022 x 1023 atom Ag memiliki massa 107,9 maka massa satu atom Ag haruslah memiliki massa yang jauh lebih kecil. Latihan Berapakah massa (dalam gram) dari satu atom iod (I) ? REVIEW Dengan hanya mengacu pada tabel periodik dan gambar 3.2, tentukan manakah yang memiliki jumlah atom terbanyak : (a) 2 g He; (b) 110 g Fe; dan (c) 250 g Hg. 3.3 Massa Molekul Jika kita mengetahui massa atom-atom penyusun suatu molekul maka kita dapat menghitung massa molekulnya. Massa molekul (biasa disebut juga dengan berat
K i m i a D a s a r 1 | 68 molekul) adalah jumlah dari massa atom (dalam amu) dalam molekul tersebut. Misalnya, massa molekul H2O dinyatakan sebagai berikut. 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑘𝑢𝑙 𝐻2 𝑂 = 2(𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝐻) + 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝑂 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑘𝑢𝑙 𝐻2 𝑂 = 2(1,008 𝑎𝑚𝑢) + 16,00 𝑎𝑚𝑢 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑘𝑢𝑙 𝐻2 𝑂 = 18,02 𝑎𝑚𝑢 Secara umum, kita perlu mengalikan massa atom tiap unsur dengan jumlah atom dari unsur yang terdapat dalam molekul kemudian dijumlah dengan seluruh unsurnya. CONTOH 3.5 Hitung massa molekul (dalam amu) dari senyawa-senyawa berikut : (a) sulfur dioksida (SO2) dan (b) kafein (C8H10N4O2). Penyelesaian Untuk menghitung massa molekul, kita harus menjumlahkan semua massa atom dalam molekul. Untuk masing-masing unsur, kita kalikan massa atom unsur dengan jumlah atom unsur tersebut dalam molekul. Massa atom dapat ditemukan dalam tabel periodik. (a) Ada dua atom O dan satu atom S dalam SO2, sehingga massa molekul SO2 adalah : 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑘𝑢𝑙 𝑆𝑂2 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝑆 + 2(𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝑂) 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑘𝑢𝑙 𝑆𝑂2 = 32,07 𝑎𝑚𝑢 + 2(16,00 𝑎𝑚𝑢) 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑘𝑢𝑙 𝑆𝑂2 = 64,07 𝑎𝑚𝑢 (b) Terdapat delapan atom C, sepuluh atom H, empat atom N, dan dua atom O dalam kafein sehingga massa molekul C8H10N4O2 adalah 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑘𝑢𝑙 𝑘𝑎𝑓𝑒𝑖𝑛 = 8(12,01 𝑎𝑚𝑢) + 10(1.008 𝑎𝑚𝑢) + 4(14,01 𝑎𝑚𝑢) + 2(16,00 𝑎𝑚𝑢) 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑘𝑢𝑙 𝑘𝑎𝑓𝑒𝑖𝑛 = 194,20 𝑎𝑚𝑢 Latihan Berapakah massa molekul metanol (CH4O) ? Dari massa molekulnya kita dapat menentukan massa molar dari molekul atau senyawa. Massa molar senyawa (dalam gram) memiliki nilai yang sama dengan massa molekulnya (dalam amu). Misalnya, massa molekul air 18,02 amu, maka massa molarnya adalah 18,02 g. Perhatikan bahwa 1 mol air memiliki massa 18,02 g dan mengandung 6,022 x 1023 molekul H2O, seperti halnya 1 mol unsur karbon yang mengandung 6,022 x 1023 atom karbon. Seperti pada contoh 3.6 dan 3.7, konsep massa molar memungkinkan kita untuk menghitung jumlah mol dan jumlah atom dalam sejumlah tertentu senyawa. CONTOH 3.6
K i m i a D a s a r 1 | 69
Metana (CH4) adalah komponen utama dari gas alam. Berapa banyak mol CH4 yang terdapat dalam 4,83 g CH4 ?
Penyelesaian Faktor konversi yang diperlukan untuk mengkonversi gram dan mol adalah massa molar. Pertama kita perlu menghitung massa molar CH4, seperti prosedur dalam contoh 3.5 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝐶𝐻4 = 12,01 𝑔 + 4(1.008 𝑔) 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝐶𝐻4 = 162,04 𝑔 Karena 1 mol CH4 = 16,04 gram CH4 maka factor konversi yang diperlukan harus memiliki gram sebagai penyebut sehingga satuan gram dapat ditiadakan dan menyisakan mol sebagai pembilang : 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻4 16,04 𝑔 𝐶𝐻4 Kemudian dapat ditulis : 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻4 4,83 𝑔 𝐶𝐻4 × = 0,301 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻4 16,04 𝑔 𝐶𝐻4 Dengan demikian, terdapat 0,301 mol CH4 dalam 4,83 g CH4. Latihan Hitung jumlah mol kloroform (CHCl3) dalam 198 g kloroform ! CONTOH 3.7 Berapa banyak atom hidrogen yang terdapat dalam 43,8 g urea, (NH2)2CO, yang digunakan sebagai pupuk, dalam pakan ternak, dan dalam pembuatan polimer? Massa molar urea adalah 60,06 g.
K i m i a D a s a r 1 | 70
Penyelesaian Untuk menghitung jumlah atom H, pertama kita harus mengkonversi gram urea untuk memperoleh mol urea dengan menggunakan massa molar urea. Langkah ini mirip dengan Contoh 3.2. Rumus molekul urea menunjukkan ada empat mol atom H dalam satu mol molekul urea sehingga perbandingan molnya adalah 4:1. Setelah diketahui jumlah mol atom H maka dapat dihitung jumlah atom H dengan menggunakan bilangan Avogadro. Oleh karena itu diperlukan dua faktor konversi : massa molar dan bilangan Avogadro. Kita dapat menggabungkan konversi-konversi tersebut dalam satu langkah. gram Urea
mol Urea
mol H
jumlah atom H
1 𝑚𝑜𝑙 (𝑁𝐻2 )2 𝐶𝑂 4 𝑚𝑜𝑙 𝐻 × 60,06 𝑔 (𝑁𝐻2 )2 𝐶𝑂 1 𝑚𝑜𝑙 (𝑁𝐻2 )2 𝐶𝑂 6,022 × 1023 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝐻 × = 1,76 × 1024 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝐻 1 𝑚𝑜𝑙 𝐻
43,8𝑔 (𝑁𝐻2 )2 𝐶𝑂 ×
Latihan Berapa banyak atom H dalam 72,5 g isopropanol (alkohol yang digunakan sebagai penggosok), C3H8O ? Selanjutnya, perhatikan bahwa untuk senyawa ionik seperti NaCl dan MgO yang tidak mengandung unit molekul diskrit, digunakan istilah massa rumus sebagai gantinya. Satuan rumus NaCl terdiri dari satu ion Na+ dan satu ion Cl‒. Dengan demikian, massa rumus NaCl adalah massa dari satu satuan rumusnya, yaitu : 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑟𝑢𝑚𝑢𝑠 𝑁𝑎𝐶𝑙 = 22,99 𝑎𝑚𝑢 + 35,45 𝑎𝑚𝑢 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑟𝑢𝑚𝑢𝑠 𝑁𝑎𝐶𝑙 = 58,44 𝑎𝑚𝑢 Maka massa molar NaCl adalah 58,44 g. REVIEW Tentukan massa molekul dan massa molar asam sitrat, H3C6H5O7 ! 3.4 Spektrometer Massa Metode langsung yang paling akurat untuk menentukan massa atom dan massa molekul adalah metode spektrometri massa, seperti yang ditunjukkan pada gambar Gambar 3.3. Dalam spektrometer massa, sampel gas dibombardir oleh aliran electron berenergi tinggi. Tabrakan antara elektron dan atom (atau molekul) gas menghasilkan ion positif akibat terlepasnya sebuah elektron dari setiap atom atau molekul. Ion-ion positif ini (dengan massa m dan muatan e) dipercepat oleh dua lempengan yang bermuatan berlawanan saat ion-ion tersebut melewati lempengan tersebut. Ion-ion yang dilepaskan tersebut dipantulkan oleh medan magnet melingkar. Panjang lintasan tergantung pada perbandingan muatan listrik dan massa (yaitu, e/m). Ion-ion yang memiliki perbandingan e/m lebih kecil memiliki jari-jari lintasan lebih besar daripada
K i m i a D a s a r 1 | 71
yang memiliki perbandingan e/m lebih besar, sehingga ion dengan muatan yang sama tetapi massa yang berbeda dapat dipisahkan satu sama lain. Massa dari masing-masing ion (dan juga atom atau molekul induk) ditentukan sejauh mana pantulan terjadi. Akhirnya ion-ion tersebut sampai pada detektor, yang mencatat arus listrik dari masingmasing jenis ion. Jumlah arus listrik yang dihasilkan saat ini berbanding lurus dengan jumlah ion, sehingga memungkinkan kita untuk menentukan kelimpahan relatif isotopisotopnya.
layar deteksi
lempeng pemercepat berkas elektron sampel gas
filamen
berkas ion
magnet
Gambar 3.3 Skema salah satu jenis spektrometer massa Spektrometer massa pertama yang dikembangkan pada tahun 1920 oleh fisikawan Inggris, F. W. Aston, terlalu sederhana untuk standar saat ini. Namun demikian, hal ini memberikan bukti terbantahkan tentang adanya isotop, yaitu isotop neon-20 (massa atom 19,9924 amu dengan kelimpahan 90,92%) dan neon-22 (massa atom 21,9914 amu dengan kelimpahan 8,82%). Ketika spektrometer massa yang lebih canggih dan sensitif tercipta, para ilmuwan terkejut akibat ditemukannya isotop neon ketiga yang stabil dengan massa atom 20,9940 amu dan kelimpahannya 0,257% (Gambar 3.4). Contoh ini menggambarkan bagaimana pentingnya akurasi dalam eksperimen kuantitatif seperti kimia. Percobaan-percobaan terdahulu gagal untuk mendeteksi neon-21 yang kelimpahannya hanya 0,257%. Dengan kata lain, hanya 26 dari 10.000 atom Ne adalah neon-21. Massa molekul dapat ditentukan dengan cara yang sama oleh spektrometer massa.
K i m i a D a s a r 1 | 72
Gambar 3.4 Spektrum massa dari ketiga isotop neon 3.5 Persen Komposisi Senyawa Sebagaimana telah kita lihat, rumus senyawa memberitahu kita tentang jumlah atom masing-masing unsur dalam satu satuan senyawa. Namun, misalnya kita perlu untuk menguji kemurnian suatu senyawa untuk digunakan dalam percobaan laboratorium. Dari rumus senyawanya kita dapat menghitung berapa persen kontribusi tiap unsur terhadap massa total senyawanya.Kemudian, dengan membandingkan hasilnya dengan persen komposisi yang diperoleh secara eksperimen terhadap sampel yang kita miliki, kita dapat menentukan kemurnian sampel. Persen komposisi adalah persentase massa tiap unsur dalam suatu senyawa. Persen komposisi diperoleh dengan membagi massa tiap unsur dalam 1 mol senyawa dengan massa molar senyawa dan dikalikan dengan 100%. Secara matematis, persen komposisi unsur dalam suatu senyawa dinyatakan sebagai 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑒𝑛 𝑘𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖𝑠𝑖 𝑢𝑛𝑠𝑢𝑟 =
𝑛 × 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑢𝑛𝑠𝑢𝑟 × 100% 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑛𝑦𝑎𝑤𝑎
dimana n adalah jumlah mol unsur dalam 1 mol senyawa. Misalnya, dalam 1 mol hidrogen peroksida (H2O2) terdapat 2 mol atom H dan 2 mol atom O. Massa molar H2O2, H dan O berturut-turut adalah 34,02g, 1,008g, dan 16,00g. Oleh karena itu, persen komposisi H2O2 dapat dihitung sebagai berikut : 2 × 1,008 𝑔 × 100% = 5,926% 34,02 𝑔 2 × 16,00 𝑔 %𝑂 = × 100% = 94,06% 34,02 𝑔
%𝐻 =
K i m i a D a s a r 1 | 73
Jumlah kedua persentase tersebut adalah 5,926% + 94,06% = 99,99%. Perbedaan kecil dari 100% terjadi karena pembulatan massa molar dari unsur-unsurnya. Jika kita menggunakan HO sebagai rumus empiris untuk perhitungan, kita akan memperoleh persentase yang sama. Hal ini terjadi karena rumus molekul dan rumus empiris akan menunjukkan persen komposisi massa senyawa yang sama. CONTOH 3.8 Asam fosfat (H3PO4) berupa cairan tidak berwarna dan berasa manis yang digunakan dalam deterjen, pupuk, pasta gigi, dan minuman bersoda untuk perasa yang tajam. Hitung persen komposisi massa H, P, dan O dalam senyawa ini ! Penyelesaian Massa molar H3PO4 adalah 97,99 g. Persen massa dari masing-masing unsur dalam H3PO4 dapat dihitung sebagai berikut : 3(1,008 𝑔)𝐻 %𝐻 = × 100% = 3,086% 97,99 𝑔 𝐻3 𝑃𝑂4 30,97 𝑔 𝑃 %𝑃 = × 100% = 31,61% 97,99 𝑔 𝐻3 𝑃𝑂4 4(16,00 𝑔)𝑂 %𝑂 = × 100% = 65,31% 97,99 𝑔 𝐻3 𝑃𝑂4 Latihan Hitung persen komposisi massa dari masing-masing unsur dalam asam sulfat (H2SO4) ! Prosedur yang digunakan dalam contoh 3.8 dapat dibalik jika diperlukan. Berdasarkan persen komposisi massa suatu senyawa yang diberikan, kita dapat menentukan rumus empiris suatu senyawa (gambar 3.5). Karena kita berhubungan dengan persentase dan jumlah seluruh persentasenya adalah 100%, maka akan lebih mudah jika diasumsikan massa senyawa sebanyak 100 gram, seperti contoh 3.9.
CONTOH 3.9 Asam askorbat (vitamin C) dapat menyembuhkan penyakit kudis. Senyawa ini terdiri dari 40,92% atom karbon (C); 4,58% hidrogen (H), dan 54,50% oksigen (O). Tentukan rumus empiris formulanya ! Penyelesaian Jika kita memiliki 100 g asam askorbat, maka persentase masing-masing unsur dapat dikonversi langsung menjadi gram. Dalam contoh ini, terdapat 40,92 g C; 4,58 g H; dan 54,50 g O. Karena indeks dalam rumus molekul mewakili perbandingan mol, kita perlu mengkonversi setiap gram unsur menjadi mol. Faktor konversi yang dibutuhkan adalah massa molar tiap-tiap unsur. Jika n merupakan jumlah mol masing-masing unsur maka
K i m i a D a s a r 1 | 74 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶 = 3,407 𝑚𝑜𝑙 𝐶 12,01 𝑔 𝐶 1 𝑚𝑜𝑙 𝐻 𝑛𝐻 = 4,58 𝑔 𝐻 × = 4,54 𝑚𝑜𝑙 𝐻 1,008 𝑔 𝐻 1 𝑚𝑜𝑙 𝑂 𝑛𝑂 = 54,50 𝑔 𝑂 × = 3,406 𝑚𝑜𝑙 𝑂 16,00 𝑔 𝑂 Dengan demikian, kita temukan rumus C3,407H4,54O3,406 yang menunjukkan identitas dan perbandingan mol atom yang ada. Namun, karena rumus kimia ditulis dengan bilangan bulat maka untuk mengkonversi ke bilangan bulat dilakukan dengan membagi semua indeks dengan indeks terkecil (3,406). 𝑛𝐶 = 40,92 𝑔 𝐶 ×
3,407 4,54 3,406 ∶ ∶ = 1 ∶ 1,33 ∶ 1 3,406 3,406 3,406 Hasilnya adalah CH1,33O sebagai rumus kimia asam askorbat. Selanjutnya kita harus mengubah indeks 1,33 menjadi bilangan bulat melalui prosedur trial and error. 1,33 × 1 = 1,33 1,33 × 2 = 2,66 1,33 × 3 = 3,99 ≈ 4 Karena nilai 1,33 menunjukkan bilangan bulat (4), maka kita kalikan semua indeks dengan 3 dan mendapatkan C3H4O3 sebagai rumus empiris untuk asam askorbat. 𝐶∶ 𝐻∶ 𝑂=
Latihan Tentukan rumus empiris suatu senyawa yang memiliki persen komposisi massa sebagai berikut : K = 24,75%; Mn = 34,77%; O = 40,51%. Para ahli kimia seringkali ingin mengetahui massa sebenarnya dari suatu unsur dalam suatu senyawa dengan massa tertentu. Sebagai contoh, dalam industri pertambangan, informasi ini menunjukkan para ilmuwan tentang kualitas bijih. Karena persen komposisi massa unsur dalam senyawa dapat dihitung dengan mudah, maka masalah seperti ini dapat diselesaikan dengan cara yang sederhana. CONTOH 3.10 Kalkopirit (CuFeS2) adalah mineral utama dari tembaga. Hitunglah berapa kilogram Cu dalam 5,93 x 103 kg kalkopirit ! Penyelesaian Massa molar Cu dan CuFeS2 masing-masing adalah 63,55 g dan 183,5 g. Oleh karena itu persen massa Cu adalah 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝐶𝑢 %𝐶𝑢 = × 100% 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝐶𝑢𝐹𝑒𝑆2 63,55 𝑔 %𝐶𝑢 = × 100% = 34,63% 183,5 𝑔
K i m i a D a s a r 1 | 75
Untuk menghitung massa Cu dalam 5,93 x 103 kg CuFeS2, kita perlu mengkonversi bentuk persen menjadi pecahan (yaitu 34,63% menjadi 34,63/100 atau 0,3463) dan ditulis 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑢 𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚 𝐶𝑢𝐹𝑒𝑆2 = 0,3463 × (5,93 × 103 𝑘𝑔) = 2,05 × 103 𝑘𝑔 Kita juga dapat memecahkan soal dengan membaca rumus sebagai perbandingan mol kalkopirit terhadap mol tembaga dengan menggunakan konversi berikut : gram kalkopirit
mol kalkopirit
mol Cu
gram Cu
Latihan Hitung berapa gram Al dalam 371 g Al2O3 ! REVIEW Tanpa melakukan perhitungan yang rinci, perkirakan apakah persen komposisi massa Hg lebih besar atau lebih kecil dari persen komposisi massa O dalam raksa(II) nitrat, Hg(NO3)2 ! 3.6 Penentuan Rumus Empiris melalui Percobaan Fakta bahwa kita dapat menentukan rumus empiris senyawa jika diketahui komposisi persennya memungkinkan kita untuk mengidentifikasi senyawa tersebut melalui percobaan dengan prosedur sebagai berikut. Pertama, hasil analisis kimia memberikan informasi tentang jumlah gram tiap unsur yang terdapat dalam sejumlah tertentu senyawa. Kemudian, kita mengubah gram tersebut menjadi jumlah mol masingmasing unsur. Pada akhirnya, dengan menggunakan metode yang diberikan dalam contoh 3.9, kita menemukan rumus empiris senyawa. Sebagai contoh yang lebih spesifik, perhatikan senyawa etanol berikut. Ketika etanol dibakar dalam suatu alat seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.6 akan dihasilkan karbon dioksida (CO2) dan air (H2O). Karena tidak ada karbon atau hidrogen yang terdapat dalam gas yang dimasukkan, kita dapat menyimpulkan bahwa karbon (C) dan hidrogen (H), mungkin pula oksigen (O), terdapat dalam senyawa etanol. Molekul oksigen memang telah ditambahkan dalam proses pembakaran, tetapi beberapa oksigen mungkin juga mungkin berasal dari sampel etanol aslinya.
O2
etanol
O2 yang tidak terserap
panas H2O penyerap
CO2 penyerap
K i m i a D a s a r 1 | 76 Gambar 3.6 Peralatan untuk menentukan rumus empiris etanol. Penyerap adalah zat yang masingmasing dapat menahan air dan karbon dioksida.
Massa CO2 dan H2O yang dihasilkan dapat ditentukan dengan mengukur penambahan massa masing-masing penyerap CO2 dan H2O. Misalkan dalam satu percobaan pembakaran 11,5 g etanol dihasilkan 22,0 g CO2 dan 13,5 g H2O. Kita bisa menghitung massa karbon dan hidrogen dalam 11,5 g sampel asli etanol sebagai berikut. 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶 12,01 𝑔 𝐶 × × = 6,00𝑔 𝐶 44,01 𝑔 𝐶𝑂2 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶 1 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑂 2 𝑚𝑜𝑙 𝐻 1,008 𝑔 𝐻 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐻 = 13,5 𝑔 𝐻2 𝑂 × × × = 1,51𝑔 𝐻 18,02 𝑔 𝐻2 𝑂 1 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑂 1 𝑚𝑜𝑙 𝐻 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶 = 22,0 𝑔 𝐶𝑂2 ×
Dengan demikian, dalam 11,5 g etanol mengandung 6,00 g C dan 1,51 g H. Sisanya adalah massa oksigen, yang bias dihitung sebagai berikut. 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑂 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑠𝑎𝑚𝑝𝑒𝑙 − (𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶 + 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐻) 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑂 = 11,5 𝑔 − (6,00 𝑔 + 1,51 𝑔) 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑂 = 4,0 𝑔 Jumlah mol dari setiap unsur yang terdapat dalam 11,5 g etanol adalah 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶 = 0,50 𝑚𝑜𝑙 𝐶 12,01 𝑔 𝐶 1 𝑚𝑜𝑙 𝐻 𝑚𝑜𝑙 𝐻 = 1,51 𝑔 𝐻 × = 1,50 𝑚𝑜𝑙 𝐻 1,008 𝑔 𝐻 1 𝑚𝑜𝑙 𝑂 𝑚𝑜𝑙 𝑂 = 4,00 𝑔 𝐶 × = 0,25 𝑚𝑜𝑙 𝑂 16,00 𝑔 𝑂 𝑚𝑜𝑙 𝐶 = 6,00 𝑔 𝐶 ×
Oleh karena itu, rumus molekul etanol adalah C0,50H1,5O0,25 (dilakukan pembulatan jumlah mol hingga dua angka penting). Karena jumlah atom harus berupa bilangan bulat, maka masing-masing indeks dibagi dengan indeks terkecil yaitu 0,25 dan diperoleh rumus empiris etanol adalah C2H6O. Sekarang kita dapat memahami dengan lebih baik arti kata “empiris” yang secara harfiah berarti “hanya berdasarkan pengamatan dan pengukuran”. Rumus empiris etanol ditentukan dari analisis senyawa tersebut berdasarkan unsur-unsur penyusunnya. Konsep tentang bagaimana atom-atom saling berikatan satu sama lain dalam satu senyawa tidak diperlukan lagi. Penentuan Rumus Molekul Rumus dihitung dari data persen komposisi massa selalu berupa rumus empiris karena indeks dalam rumus selalu direduksi menjadi bilangan bulat terkecil. Untuk menghitung rumus sebenarnya atau rumus molekulnya, kita harus mengetahui massa molar perkiraan dari senyawa tersebut. Karena massa molar senyawa harus merupakan
K i m i a D a s a r 1 | 77
kelipatan bulat dari massa molar rumus empirisnya, maka kita dapat menggunakan massa molar tersebut untuk menemukan rumus molekul, seperti yang ditunjukkan pada Contoh 3.11. CONTOH 3.11 Suatu sampel senyawa mengandung 1,52 g nitrogen (N) dan 3,47 g oksigen (O). Massa molar dari senyawa ini adalah antara 90 g dan 95 g. Tentukan rumus molekul dan massa molar yang tepat dari senyawa ini. Penyelesaian Kita telah mengetahui massa N dan O dalam gram. Gunakan massa molar sebagai faktor konversi untuk mengubah gram ke mol untuk setiap unsur. Misalkan n merupakan jumlah mol masing-masing unsur, maka dapat ditulis 1 𝑚𝑜𝑙 𝑁 𝑛𝑁 = 1,52 𝑔 𝑁 × = 0,108 𝑚𝑜𝑙 𝑁 14,01 𝑔 𝑁 1 𝑚𝑜𝑙 𝑂 𝑛𝑂 = 3,47 𝑔 𝑂 × = 0,217 𝑚𝑜𝑙 𝑂 16,00 𝑔 𝑂 Dengan demikian, diperoleh rumus N0,108O0,217 yang menunjukkan jenis dan perbandingan atom yang ada. Karena rumus kimia ditulis dengan bilangan bulat, maka dilakukan konversi ke bilangan bulat dengan membagi seluruh indeks dengan indeks yang paling kecil (0,108). Setelah pembulatan, kita peroleh NO2 sebagai rumus empirisnya. Rumus molekul senyawa mungkin sama dengan rumus empirisnya atau berupa kelipatan bilangan bulat dari rumus empirisnya (misalnya dua, tiga, empat, atau lebih kali rumus empiris). Dengan membandingkan perbandingan massa molar molekul dengan massa molar rumus empiris akan menunjukkan hubungan bulat antara rumus empiris dan molekul. Massa molar rumus empiris NO2 adalah 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑟𝑢𝑚𝑢𝑠 𝑒𝑚𝑝𝑖𝑟𝑖𝑠 = 14,01 𝑔 + 2(16,00 𝑔) = 46,01 𝑔 Selanjutnya, kita tentukan perbandingan antara massa molar molekul dengan massa molar empirisnya. 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 90 𝑔 = ≅2 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑒𝑚𝑝𝑖𝑟𝑖𝑠 46,01 𝑔 Maka massa molarnya adalah dua kali massa molar empiris. Hal ini berarti ada dua unit NO2 di setiap molekul senyawa dengan rumus molekul (NO2)2 atau N2O4. Massa molar sebenarnya dari senyawa ini adalah dua kali massa molar empirisnya, yaitu 2(46,01 g) = 92,02 g; yaitu antara 90 g dan 95 g. Latihan Sampel dari senyawa yang mengandung boron (B) dan hidrogen (H) mengandung 6,444 g B dan 1,803 g H. Massa molar senyawa tersebut sekitar 30 g. Apa rumus molekulnya?
K i m i a D a s a r 1 | 78
3.7 Reaksi Kimia dan Persamaan Kimia Setelah membahas massa atom dan molekul, kita beralih pada apa yang terjadi terhadap atom dan molekul selama berlangsungnya reaksi kimia, sebuah proses dimana suatu zat (atau senyawa) berubah menjadi satu atau lebih zat baru. Agar reaksi kimia dapat dikomunikasikan satu sama lain, ahli kimia telah menemukan cara standar untuk menggambarkan terjadinya reaksi kimia melalui persamaan kimia. Sebuah persamaan kimia menggunakan simbol kimia untuk menunjukkan apa yang terjadi selama reaksi kimia. Dalam bagian ini kita akan belajar bagaimana menulis persamaan kimia dan menyeimbangkannya. Menulis Persamaan Kimia Perhatikan apa yang terjadi ketika gas hidrogen (H2) terbakar di udara (yang mengandung gas oksigen, O2) untuk membentuk air (H2O). Reaksi ini dapat dinyatakan dalam persamaan kimia 𝐻2 + 𝑂2 → 𝐻2 𝑂 dimana tanda "+" berarti "bereaksi dengan" dan tanda “” berarti menghasilkan. Jadi penulisan lambing diatas dibaca : "Molekul hidrogen bereaksi dengan molekul oksigen untuk menghasilkan air." Reaksi diasumsikan untuk melanjutkan dari kiri ke kanan sesuai dengan arah tanda panah. Namun, persamaan diatas masih belum lengkap karena jumlah atom oksigen sisi kiri (dua) dua kali lebih banyak daripada sisi kanan tanda panah (satu). Untuk menyesuaikan dengan hukum kekekalan massa, maka jumlah tiap jenis atom di kedua sisi tanda panah harus sama, dapat dikatakan pula bahwa jumlah atom setelah reaksi berakhir sama seperti sebelum reaksi dimulai. Persamaan diatas dapat diseimbangkan dengan menempatkan koefisien yang sesuai. Dalam contoh ini koefisien 2 diberikan di depan H2 dan H2O. 2𝐻2 + 𝑂2 → 2𝐻2 𝑂
+
dua molekul hidrogen + satu molekul oksigen dua molekul air 2H2 + O2 2H2O Gambar 3.7 Tiga cara untuk menggambarkan proses pembakaran hydrogen. Sesuai dengan hukum kekekalan massa, jumlah tiap jenis atom harus sama pada kedua sisi persamaan. Persamaan kimia yang seimbang ini menunjukkan bahwa "dua molekul hidrogen bergabung atau bereaksi dengan satu molekul oksigen untuk membentuk dua molekul air" (Gambar 3.7). Karena perbandingan jumlah molekul setara dengan perbandingan
K i m i a D a s a r 1 | 79
jumlah mol, maka persamaan tersebut juga dapat dibaca sebagai "2 mol molekul hidrogen bereaksi dengan 1 mol molekul oksigen untuk menghasilkan 2 mol molekul air." Kita juga telah mengetahui massa satu mol masing-masing zat, sehingga kita juga bisa menafsirkan persamaan tersebut sebagai "4,04 g H2 bereaksi dengan 32,00 g O2 untuk menghasilkan 36,04 g H2O." Ketiga cara membaca persamaan reaksi kimia dirangkum dalam Tabel 3.1. Tabel 3.1 Penafsiran Persamaan Kimia 2H2 + O2
2H2O
dua molekul
+ satu molekul
dua molekul
2 mol
+ 1 mol
2 mol
2(2,02 g) = 4,04 g
+ 32 g
2(18,02 g) = 36,04 g
36,04 g reaktan
36,04 g produk
Pada persamaan reaksi sebelumnya, H2 dan O2 disebut sebagai reaktan, yaitu bahan awal dalam reaksi kimia. Sedangkan air (H2O) adalah produk, yaitu bahan yang terbentuk sebagai hasil dari reaksi kimia. Jadi, sebuah persamaan kimia hanya deskripsi singkat tentang terjadinya reaksi kimia. Dalam persamaan kimia, reaktan ditulis di sebelah kiri tanda panah dan produk di sebelah kanan tanda panah : 𝒓𝒆𝒂𝒌𝒕𝒂𝒏 → 𝒑𝒓𝒐𝒅𝒖𝒌 Sebagai informasi tambahan, para ahli kimia sering menunjukkan wujud fisik dari reaktan dan produk dengan menggunakan huruf g, l, dan s yang masing-masing digunakan untuk menunjukkan wujud gas, cair, dan padat. Misalnya 2CO2(g) + O2(g) 2CO2(g) 2HgO(s) 2Hg(l) + O2(g) Untuk menunjukkan apa yang terjadi ketika natrium klorida (NaCl) ditambahkan ke dalam air, maka persamaannya dapat ditulis sebagai berikut. 𝐻2 𝑂
𝑁𝑎𝐶𝑙(𝑠) → 𝑁𝑎𝐶𝑙(𝑎𝑞) dimana (aq, aqueous) menunjukkan lingkungan berair (dalam contoh ini lingkungan air). Penulisan H2O diatas tanda panah melambangkan proses fisik pelarutan zat dalam air, meskipun seringkali diabaikan agar lebih sederhana. Menyetarakan Persamaan Kimia Misalkan kita ingin menulis sebuah persamaan untuk menggambarkan reaksi kimia yang baru saja kita dilakukan di laboratorium, bagaimana seharusnya kita melakukannya? Karena kita telah mengetahui identitas dari reaktan, maka kita bisa menulis rumus kimianya sedangkan identitas produk lebih sulit untuk ditentukan. Untuk reaksi yang sederhana, seringkali memungkinkan untuk menebak produk(-produk)nya. Untuk reaksi yang lebih rumit dengan melibatkan tiga atau lebih produk, kimiawan
K i m i a D a s a r 1 | 80 mungkin perlu untuk melakukan analisis lebih lanjut untuk membuktikan keberadaan senyawa tertentu. Setelah diidentifikasi semua jenis reaktan dan produk, serta telah ditulis rumus kimia yang benar untuk masing-masing senyawa, kita kumpulkan sesuai kelompoknya dan diurutkan secara manual, reaktan diletakkan di sebelah kiri dipisahkan oleh sebuah tanda panah, sedangkan produk berada di sebelah kanan tanda panah. Persamaan yang ditulis ini kemungkinan belum seimbang, dimana jumlah setiap jenis atom pada salah satu sisi dari tanda panah berbeda dari sisi yang lain. Secara umum, kita dapat menyeimbangkan persamaan kimia dengan langkah-langkah berikut : 1. Identifikasi semua reaktan dan produk serta menuliskan rumus kimia yang benar masing-masing di sisi kiri dan sisi kanan persamaan kimia. 2. Mulailah menyeimbangkan persamaan dengan mencoba koefisien yang berbeda untuk menyetarakan jumlah atom setiap unsur pada kedua sisi persamaan. Kita dapat mengubah koefisien (nomor yang ditulis sebelum rumus kimia senyawa) tetapi tidak bias mengubah indeks (nomor dalam rumus senyawa) karena mengubah indeks akan mengubah jenis zat. Misalnya, 2NO2 berarti "dua molekul nitrogen dioksida" tetapi jika kita melipatgandakan indeksnya kita akan memiliki senyawa N2O4, yaitu rumus kimia dari dinitrogen tetraoksida, suatu senyawa yang sama sekali berbeda dengan NO2. 3. Pertama-tama, carilah unsur yang hanya muncul sekali pada setiap sisi persamaan dengan jumlah yang sama atom di setiap sisi. Rumus yang mengandung unsur-unsur tersebut harus memiliki koefisien yang sama. Oleh karena itu, kita tidak perlu menyesuaikan koefisien unsur-unsur tersebut. Selanjutnya, carila unsure yang hanya muncul sekali pada setiap sisi persamaan, tetapi dalam jumlah atom yang berbeda. Setarakan jumlah unsur tersebut. Terakhir, setarakan unsur-unsur yang muncul dalam dua atau lebih rumus kimia pada sisi persamaan yang sama. 4. Periksa persamaan reaksi yang telah disetarakan untuk memastikan bahwa jumlah dari setiap jenis atom di kedua sisi persamaan yang dipisahkan oleh tanda panah adalah sama. Perhatikan contoh yang lebih spesifik berikut ini. Di laboratorium, sejumlah kecil gas oksigen dapat dibuat dengan memanaskan kalium klorat (KClO3). Produk reaksi ini berupa gas oksigen (O2) dan kalium klorida (KCl). Dari informasi ini, kita menulis KClO3 KCl + O2 (Untuk mempermudah, kita mengabaikan wujud fisik dari reaktan dan produk) Ketiga unsur-unsur dalam persamaan (K, Cl, dan O) hanya muncul sekali pada setiap sisi persamaan, tapi hanya atom K dan Cl yang memiliki jumlah yang sama di kedua sisi persamaan. Dengan demikian, KClO3 dan KCl harus memiliki koefisien yang sama. Langkah selanjutnya adalah menyetarakan jumlah atom O pada kedua sisi persamaan. Karena ada tiga atom O di sebelah kiri dan dua atom O di sebelah kanan persamaan, kita dapat menyetarakannya dengan menempatkan koefisien 2 di depan rumus KClO3 dan 3 di depan rumus O2.
K i m i a D a s a r 1 | 81
2KClO3 KCl + 3O2 Akhirnya, jumlah atom K dan Cl disetarakan dengan menempatkan koefisien 2 di depan rumus senyawa KCl : 2KClO3 2KCl + 3O2 Untuk pengecekan terakhir, kita dapat menyusun lembar kesetaraan untuk reaktan dan produk yang menunjukkan jumlah atom dari setiap unsur yang ditulis dalam tanda kurung : Reaktan
Produk
K (2) Cl (2) O (6)
K (2) Cl (2) O (6)
Perhatikan bahwa persamaan ini juga setara jika koefisien yang ditambahkan merupakan kelipatan 2 (untuk KClO3), kelipatan 2 (untuk KCl), dan kelipatan 3 (untuk O2), misalnya 4KClO3 + 4KCl 6O2 Namun dalam prakteknya lebih umum digunakan angka bulat paling sederhana sebagai koefisien untuk menyetarakan suatu persamaan kimia. Perhatikan reaksi pembakaran dari salah satu komponen gas alam yaitu etana (C2H6) dengan oksigen atau udara, yang menghasilkan karbon dioksida (CO2) dan air. Persamaan reaksi tidak setaranya adalah C2H6 + O2 CO2 + H2O Dapat dilihal bahwa jumlah atom tidak sama pada kedua sisi persamaan untuk setiap unsur (C, H, dan O). Selain itu, C dan H hanya muncul sekali pada setiap sisi persamaan, sedangkan O muncul dalam dua senyawa berbeda di sisi kanan (CO2 dan H2O). Untuk menyeimbangkan jumlah atom C, kita tempatkan koefisien 2 di depan CO2 C2H6 + O2 2CO2 + H2O Untuk menyeimbangkan atom H, kita tempatkan koefisien 3 di depan H2O C2H6 + O2 2CO2 + 3H2O Sampai pada tahap ini, atom C dan H telah setara, tetapi atom O belum setara karena ada tujuh atom O di sisi kanan dan hanya dua atom O di sisi kiri persamaan. Ketidaksetaraan atom O dapat diatasi dengan menuliskan koefisien 7/2 di depan O2 pada sisi kiri persamaan C2H6 + 7/2O2 2CO2 + 3H2O Secara logika, penggunaan 7/2 sebagai koefisien menyatakan bahwa ada tujuh atom oksigen pada sisi kanan dari persamaan, tetapi hanya sepasang atom oksigen (O2) di sebelah kiri. Untuk menyeimbangkannya, muncul pertanyaan berapa pasang atom oksigen yang diperlukan yang nilainya sama dengan tujuh atom oksigen. Sama seperti 3,5 pasang sepatu yang sama tujuh sepatu, 7/2 molekul O2 sama dengan tujuh atom O. Seperti yang ditunjukkan dalam perhitungan berikut, persamaan reaksinya kini telah setara
K i m i a D a s a r 1 | 82 Reaktan
Produk
C (2) C (2) H (6) H (6) O (7) O (7) Namun, koefisien reaksi lebih sering menggunakan bilangan bulat daripada pecahan. Oleh karena itu, kita kalikan persamaan keseluruhan dengan 2 untuk mengkonversi 7/2 menjadi 7. 2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O Maka perhitungan akhirnya adalah Reaktan
Produk
C (4) H (12) O (14)
C (4) H (12) O (14)
Perhatikan bahwa koefisien yang digunakan untuk menyetarakan persamaan yang paling akhir adalah bilangan bulat terkecil. CONTOH 3.12 Ketika logam aluminium berinteraksi dengan udara, akan terbentuk lapisan pelindung aluminium oksida (Al2O3) pada permukaannya. Lapisan ini mencegah reaksi lanjut antara aluminium dan oksigen, dan hal itu merupakan alasan mengapa kaleng minuman yng terbuat dari aluminium tidak mengalami korosi. Sedangkan pada besi, karat atau besi(III) oksida, membentuk lapisan yang terlalu berpori untuk melindungi logam besi di bawahnya sehingga terjadi perkaratan lebih lanjut. Tulislah persamaan reaksi setara untuk pembentukan Al2O3 ! Penyelesaian Persamaan reaksi tidak setaranya adalah Al + O2 Al2O3 Dalam persamaan yang setara, jumlah dan jenis atom pada setiap sisi persamaan harus sama. Jika diamati, terdapat satu atom Al di sisi reaktan dan dua atom Al di sisi produk. Penyetaraan atom Al dapat dilakukan dengan menempatkan koefisien 2 di depan Al di sisi reaktan. 2Al + O2 Al2O3 Terdapat 2 atom O pada sisi reaktan dan tiga atom O pada sisi produk dalam persamaan. Penyetaraan atom O dilakukan dengan menempatkan koefisien 3/2 di depan rumus O2 pada sisi reaktan. 2Al + 3/2O2 Al2O3 Persamaan reaksi kimia ini sudah setara, namun umumnya suatu persamaan disetarakan dengan bilangan bulat terkecil sebagai koefisien. Oleh karena itu, semua koefisien pada kedua sisi persamaan dikalikan dengan 2.
K i m i a D a s a r 1 | 83
2 [2Al + 3/2O2 Al2O3] 4Al + 3O2 2Al2O3 Pada persamaan reaksi setara, jenis dan jumlah atom pada masing-masing sisi persamaan harus sama. Maka tabel kesetaraan terakhirnya adalah Reaktan
Produk
Al (4) O (6)
Al (4) O (6)
Latihan Setarakan persamaan reaksi antara besi(III) oksida, Fe2O3, dan karbon monoksida, CO, yang menghasilkan besi, Fe, dan karbon dioksida, CO2 !
REVIEW Bagian mana dari persamaan dibawah ini yang merupakan bagian penting untuk penyetaraan reaksi dan bagian mana yang akan membantu jika kita akan melakukan percobaan di laboratorium ? CaH2(s) + 2H2O(l) Ca(OH)2(aq) + 2H2(g) 3.8 Jumlah Reaktan dan Produk Pertanyaan mendasar yang muncul jika kita bekerja di laboratorium kimia adalah "Berapa banyak produk yang akan terbentuk dari sejumlah tertentu bahan awal (reaktan)?" Atau dalam beberapa kasus, muncul pertanyaan sebaliknya, "Berapa banyak bahan awal yang dibutuhkan untuk memperoleh sejumlah tertentu produk ?" Untuk menafsirkan reaksi secara kuantitatif, kita perlu menerapkan konsep massa molar dan konsep mol. Stoikiometri adalah studi kuantitatif dari reaktan dan produk dalam reaksi kimia. Meskipun satuan yang diberikan untuk reaktan (atau produk) adalah dalam mol, gram, liter (untuk gas), atau beberapa satuan lain, kita menggunakan mol untuk menghitung jumlah produk yang terbentuk dalam reaksi. Pendekatan ini disebut metode mol, yang berarti bahwa koefisien stoikiometri dalam persamaan kimia hanya dapat diartikan sebagai jumlah mol dari setiap zatnya. Misalnya, dalam industri, amonia disintesis dari hidrogen dan nitrogen sesuai persamaan reaksi sebagai berikut : N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) Koefisien stoikiometri menunjukkan bahwa satu molekul N2 bereaksi dengan tiga molekul H2 untuk membentuk dua molekul NH3. Oleh karena itu, jumlah relatif mol yang terlibat dalam reaksi sama dengan jumlah relatif molekulnya : N2(g) 1 molekul
+
3H2(g) 3 molekul
2NH3(g) 2 molekul
K i m i a D a s a r 1 | 84 6,022 x 1023 molekul 1 mol
3(6,022 x 1023 molekul) 3 mol
2(6,022 x 1023 molekul) 2 mol
Dengan demikian, persamaan ini juga dapat dibaca sebagai "1 mol gas N2 bergabung dengan 3 mol gas H2 membentuk 2 mol gas NH3." Dalam perhitungan stoikiometri, dikatakan bahwa 3 mol H2 setara dengan 2 mol NH3. 3 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 ≈ 2 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 dimana symbol ≈ berarti "stoikiometri setara dengan" atau "setara dengan." Hubungan ini memungkinkan kita untuk menulis faktor konversinya. 3 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 2 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 𝑑𝑎𝑛 2 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 3 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 Dengan cara yang sama, kita memiliki kesetaraan 1 mol N2 ≈ 2 mol NH3 1 mol N2 ≈ 3 mol H2 Perhatikan contoh sederhana berikut, dimana 6,0 mol H2 bereaksi sempurna dengan N2 membentuk NH3. Untuk menghitung jumlah mol NH3 yang dihasilkan, kita menggunakan faktor konversi yang memiliki H2 sebagai penyebut kemudian ditulis 2 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖ℎ𝑎𝑠𝑖𝑙𝑘𝑎𝑛 = 6,0 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 × = 4,0 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 3 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 Sekarang anggaplah 16,0 g H2 bereaksi sempurna dengan N2 membentuk NH3. Berapa gram NH3 yang akan terbentuk ? Dalam perhitungan, telah diketahui hubungan antara H2 dan NH3 melalui perbandingan mol dari persamaan reaksi setaranya. Jadi, terlebih dahulu harus dilakukan konversi massa H2 (dalam gram) ke mol H2, kemudian menjadi mol NH3, dan akhirnya menjadi gram NH3. Langkah-langkah konversinya sebagai berikut. gram H2
mol H2
Gambar 3.8 menunjukkan menggunakan metode mol.
mol NH3 langkah-langkah
Massa senyawa A (g)
perhitungan
stoikiometri
Massa senyawa B (g) Gunakan massa molar senyawa B (g/mol)
Gunakan massa molar senyawa A (g/mol)
Mol senyawa A
gram NH3
Gunakan perbandingan mol A dan B pada persamaan reaksi setaranya
Mol senyawa B
K i m i a D a s a r 1 | 85 Gambar 3.8 Metode mol. Pertama, ubahlah jumlah reaktan A (dalam gram atau satuan lainnya) ke jumlah mol. Selanjutnya, gunakan perbandingan mol dalam persamaan setaranya untuk menghitung jumlah mol produk B yang terbentuk. Akhirnya, ubahlah mol produk menjadi gram produk.
Pertama-tama, 16,0 g massa H2 diubah menjadi jumlah mol H2 dengan menggunakan massa molar H2 sebagai faktor konversi. 1 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 = 16,0 𝑔 𝐻2 × = 7,94 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 2,016 𝑔 𝐻2 Selanjutnya, kita hitung jumlah mol NH3 yang dihasilkan. 2 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 = 7,94 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 × = 5,29 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 3 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 Akhirnya, massa NH3 yang diproduksi (dalam gram) dapat diketahui dengan menggunakan massa molar NH3 sebagai faktor konversi : 17,03 𝑔 𝑁𝐻3 𝑔𝑟𝑎𝑚 𝑁𝐻3 = 5,29 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 × = 90,1 𝑔 𝑁𝐻3 1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 Ketiga perhitungan terpisah diatas dapat dikombinasikan dalam satu langkah, yaitu : 1 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 2 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 17,03 𝑔 𝑁𝐻3 𝑔𝑟𝑎𝑚 𝑁𝐻3 = 16,0 𝑔 𝐻2 × × × = 90,1 𝑔 𝑁𝐻3 2,016 𝑔 𝐻2 3 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 1𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 Dengan cara yang serupa kita juga dapat menghitung berapa gram N2 yang diperlukan dalam reaksi. Langkah-langkahnya sebagai berikut. gram H2
mol H2
mol N2
gram N2
Dengan menggunakan hubungan 1 mol N2 ≈ 3 mol H2, dapat ditulis 1 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 1 𝑚𝑜𝑙 𝑁2 28,02 𝑔 𝑁2 𝑔𝑟𝑎𝑚 𝑁2 = 16,0 𝑔 𝐻2 × × × = 74,1 𝑔 𝑁2 2,016 𝑔 𝐻2 3 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 1 𝑚𝑜𝑙 𝑁2 CONTOH 3.13 Makanan yang kita makan akan terdegradasi atau dicerna dalam tubuh kita untuk menyediakan energi untuk pertumbuhan dan menjalankan fungsinya. Persamaan reaksi yang umum untuk keseluruhan proses yang sangat kompleks ini menggambarkan terjadinya degradasi glukosa (C6H12O6) menjadi karbon dioksida (CO2) dan air (H2O). C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O Jika 968 g C6H12O6 dikonsumsi seseorang pada waktu tertentu, maka berapa massa CO2 yang dihasilkan ? Penyelesaian Ikuti langkah-langkah sebelumnya dan petunjuk sesuai gambar 3.8. Langkah 1 : Persamaan reaksi yang diberikan pada soal merupakan persamaan setara. Langkah 2 : Untuk mengubah massa C6H12O6 menjadi mol C6H12O6 ditulis :
K i m i a D a s a r 1 | 86 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶6 𝐻12 𝑂6 = 5,372 𝑚𝑜𝑙 𝐶6 𝐻12 𝑂6 180,2 𝑔 𝐶6 𝐻12 𝑂6 Langkah 3 : Dari perbandingan mol diketahui bahwa 1 mol C6H12O6 ≈ 6 mol CO2. Oleh karena itu jumlah mol CO2 yang terbentuk adalah 6 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 5,372 𝑚𝑜𝑙 𝐶6 𝐻12 𝑂6 × = 32,23 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶6 𝐻12 𝑂6 Langkah 4 : Terakhir, massa CO2 yang terbentuk adalah 44,01 𝑔 𝐶𝑂2 32,23 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 × = 1,42 × 103 𝑔 𝐶𝑂2 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 Setelah beberapa kali berlatih, kita dapat mengkombinasikan beberapa langkah konversi dalam satu persamaan 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶6 𝐻12 𝑂6 6 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 44,01 𝑔 𝐶𝑂2 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑂2 = 968 𝑔 𝐶6 𝐻12 𝑂6 × × × 180,2 𝑔 𝐶6 𝐻12 𝑂6 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶6 𝐻12 𝑂6 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 3 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑂2 = 1,42 × 10 𝑔 𝐶𝑂2 968 𝑔 𝐶6 𝐻12 𝑂6 ×
Latihan Metanol (CH3OH) terbakar di udara sesuai persamaan 2CH3OH + 3O2 2CO2 + 4H2O Jika 209 g metanol terbakar habis selama proses pembakaran, berapa massa H2O yang dihasilkan ? CONTOH 3.14 Semua logam alkali bereaksi dengan air menghasilkan gas hidrogen dan senyawa hidroksida dari logam alkali yang sesuai. Reaksi khas antara lithium dan air adalah : 2Li(s) + 2H2O(l) 2LiOH(aq) + H2(g) Berapa gram Li diperlukan untuk menghasilkan 7,79 g H2? Penyelesaian Langkah-langkah konversinya sebagai berikut gram H2
mol H2
mol Li
gram Li
dengan menggabungkan beberapa dalam satu persamaan, maka dapat ditulis : 1 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 2 𝑚𝑜𝑙 𝐿𝑖 6,941 𝑔 𝐿𝑖 7,79 𝑔 𝐻2 × × × = 53,6 𝑔 𝐿𝑖 2,016 𝑔 𝐻2 1 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 1 𝑚𝑜𝑙 𝐿𝑖 Latihan Reaksi antara nitrogen oksida (NO) dan oksigen untuk menghasilkan nitrogen dioksida (NO2) merupakan langkah utama dalam pembentukan kabut fotokimia. 2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) Berapa gram O2 yang diperlukan untuk menghasilkan 2,21 g NO2 ? REVIEW Manakah pernyataan tepat tentang reaksi dibawah ini ?
K i m i a D a s a r 1 | 87
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g) (a) satu mol NO dihasilkan untuk tiap mol NH3 yang bereaksi (b) 6 g H2O dihasilkan untuk setiap 4 g NH3 yang bereaksi (c) 2 mol NO dihasilkan untuk setiap 3 mol O2 yang bereaksi 3.9 Pereaksi Pembatas Ketika seorang ahli kimia melakukan suatu reaksi, jumlah reaktan yang tersedia biasanya tidak dalam jumlah stoikiometri yang tepat, yaitu jumlah yang sesuai dengan yang ditunjukkan oleh persamaan reaksi setaranya. Karena tujuan dari terjadinya reaksi adalah untuk menghasilkan jumlah maksimum senyawa dari sejumlah tertentu bahan awal, bahkan seringkali salah satu reaktan disediakan dalam jumlah yang sangat berlebih untuk memastikan bahwa reaktan lain yang lebih mahal benar-benar dikonversi menjadi produk yang diinginkan. Akibatnya, beberapa reaktan akan tersisa pada akhir reaksi. Reaktan yang habis digunakan terlebih dulu dalam reaksi disebut pereaksi pembatas, karena jumlah maksimum produk yang terbentuk tergantung pada berapa banyak jumlah reaktan awalnya. Ketika reaktan ini habis, tidak ada lagi produk yang dapat dibentuk. Pereaksi berlebih adalah reaktan dengan jumlah yang lebih besar daripada yang diperlukan untuk bereaksi dengan sejumlah tertentu pereaksi pembatas. Konsep pereaksi pembatas analog dengan hubungan antara pria dan wanita dalam kontes tari di sebuah klub. Jika ada 14 laki-laki dan hanya ada 9 perempuan, maka hanya akan ada 9 pasang perempuan/laki-laki yang bisa bersaing. Lima orang tersisa akan ditinggalkan tanpa pasangan. Jumlah wanita membatasi jumlah pria yang dapat ikut serta dalam kontes menari, dan ada kelebihan laki-laki. Perhatikan reaksi yang terjadi pada industri yang mensintesis metanol (CH3OH) dari karbon monoksida dan hidrogen pada suhu tinggi berikut. CO(g) + 2H2(g) CH3OH(g) Anggaplah pada awalnya kita memiliki 4 mol CO dan 6 mol H2 (Gambar 3.9). Salah satu cara untuk menentukan mana dari dua reaktan tersebut yang merupakan pereaksi pembatas adalah dengan menghitung jumlah mol CH3OH diperoleh berdasarkan jumlah awal CO dan H2. Dari definisi sebelumnya, diketahui bahwa hanya reagen pembatas yang akan menghasilkan jumlah lebih kecil dari produk. Jika kita memiliki 4 mol CO, kita temukan jumlah mol CH3OH dihasilkan adalah 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻3 𝑂𝐻 4 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂 × = 4 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻3 𝑂𝐻 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂 Jika kita memiliki 6 mol H2, jumlah mol CH3OH yang dihasilkan adalah 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻3 𝑂𝐻 6 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 × = 3 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻3 𝑂𝐻 2 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 Karena H2 menghasilkan CH3OH dengan jumlah yang lebih kecil, maka H2 merupakan pereaksi pembatasnya, sedangkan CO merupakan pereaksi berlebih. Dalam perhitungan stoikiometri yang melibatkan pereaksi pembatas, langkah pertama yang harus dilakukan adalah menentukan reaktan yang bertindak sebagai
K i m i a D a s a r 1 | 88 pereaksi pembatas. Setelah pereaksi pembatas dapat diidentifikasi, penyelesaian dapat dilakukan seperti yang telah diuraikan pada Bagian 3.8. Contoh 3.15 mengilustrasikan pendekatan ini. CONTOH 3.15 Urea, (NH2)2CO dibuat dengan mereaksikan amonia dengan karbon dioksida. 2NH3(g) + CO2(g) (NH2)2CO(aq) + H2O(l) Dalam suatu proses, 849,2 g NH3 direaksikan dengan 1223 g CO2. (a) Manakah dari kedua reaktan tersebut yang merupakan pereaksi pembatas ? (b) Hitunglah massa (NH2)2CO yang dihasilkan ! (c) Berapa gram sisa pereaksi berlebih pada akhir reaksi ? Penyelesaian Soal ini dapat diselesaikan dengan melakukan perhitungan terpisah. Pertama-tama, dimulai dengan 849,2 g NH3 dapat dihitung jumlah mol (NH2)2CO yang dapat dihasilkan jika semua NH3 bereaksi dengan menggunakan langkah konversi sebagai berikut. gram NH3 mol (NH2)2CO mol NH3 Dengan menggabungkan beberapa langkah diatas menjadi satu langkah saja dapat ditulis 1 mol NH3 1 mol (NH2 )2 CO 𝑚𝑜𝑙 (NH2 )2CO = 849,2 g NH3 × × 17,03 g NH3 2 mol NH3 = 24,93 mol (NH2 )2 CO Kedua, untuk 1223 g CO2 faktor konversinya adalah gram CO2
mol CO2
mol (NH2)2CO
Jumlah mol (NH2)2CO yang kemungkinan terbentuk jika semua CO2 bereaksi adalah 1 mol CO2 1 mol (NH2 )2 CO 𝑚𝑜𝑙 (NH2 )2 CO = 1223 g CO2 × × 44,01 g CO2 2 mol CO2 = 27,79 mol (NH2 )2 CO Berdasarkan hasil perhitungan tersebut, NH3 merupakan pereaksi pembatas karena menghasilkan jumlah (NH2)2CO yang lebih kecil. Massa molar (NH2)2CO adalah 60,06 g. Faktor konversi ini digunakan untuk mengubah mol (NH2)2CO menjadi gram (NH2)2CO, yaitu : 60,06 g (NH2 )2 CO 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 (NH2 )2 CO = 24,93 mol (NH2 )2 CO × = 1497 g (NH2 )2 CO 1 mol (NH2 )2 CO Setelah diketahui bahwa dari hasil reaksi diperoleh 24,93 mol (NH2)2CO, dapat ditentukan massa CO2 yang bereaksi berdasarkan perbandingan mol pada persamaan reaksi setaranya dan massa molar CO2. Langkah-langkah konversinya adalah massa CO2 1 mol CO2 44,01 g CO2 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑂2 𝑏𝑒𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖 = 24,93 𝑚𝑜𝑙 (NH2 )2 CO × × 1 mol (NH2 )2 CO 1 mol CO2 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑂2 𝑏𝑒𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖 = 1097 g CO2 Oleh karena itu mol (NH2)2CO
mol CO2
K i m i a D a s a r 1 | 89
Jumlah CO2 yang tersisa (berlebih) merupakan selisih antara jumlah awalnya (1223 g) dengan jumlah CO2 yang bereaksi (1097 g). 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑂2 𝑡𝑒𝑟𝑠𝑖𝑠𝑎 = 1223 𝑔 − 1097 𝑔 = 126 𝑔
Latihan Reaksi antara aluminium dan besi(III) oksida terjadi pada suhu sekitar 3000°C dan digunakan dalam proses pengelasan logam las. 2Al + Fe2O3 Al2O3 + 2Fe Pada suatu proses, 124 g Al direaksikan dengan 601 g Fe2O3. (a) Hitung massa Al2O3 yang terbentuk (dalam gram) ! (b) Berapa banyak pereaksi berlebih yang tersisa pada akhir reaksi ? Contoh 3.15 memunculkan suatu poin penting. Dalam prakteknya, kimiawan biasanya memilih bahan kimia yang lebih mahal sebagai pereaksi pembatas sehingga semua atau sebagian besar akan digunakan selama reaksi berlangsung. Dalam sintesis urea, NH3 selalu berperan sebagai pereaksi pembatas karena jauh lebih mahal daripada CO2. REVIEW Perhatikan persamaan reaksi kimia berikut. 2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) Dimulai dengan reaktan yang ditunjukkan pada gambar (a), manakah diantara diagram (b), (c) dan (d) yang paling tepat mewakili kondisi pereaksi pembatas ketika reaksi telah berlangsung sempurna ?
NO O2 NO2 (a)
(b)
(c)
(d)
3.10 Hasil Reaksi Jumlah pereaksi pembatas yang ada pada awal reaksi menentukan hasil teoritis dari reaksi tersebut, yaitu jumlah produk yang akan dihasilkan jika semua pereaksi pembatas habis bereaksi. Jadi, hasil teoritis adalah hasil maksimal yang diperoleh berdasarkan hasil prediksi dari persamaan setaranya. Dalam prakteknya, hasil yang sebenarnya atau jumlah produk sebenarnya yang dihasilkan dari reaksi, hampir selalu kurang dari hasil teoritis. Ada banyak alasan mengapa muncul perbedaan antara hasil sebenarnya dan hasil teoritis, misalnya sebagian besar reaksi kimia berlangsung
K i m i a D a s a r 1 | 90 reversibel sehingga reaksi tidak 100% berjalan dari kiri (reaktan) ke kanan (produk). Bahkan ketika reaksi telah 100% selesai, mungkin sulit untuk memisahkan semua produk dari media reaksinya (misalnya, dari larutan berair). Beberapa reaksi bersifat kompleks, dimana produk yang dihasilkan dapat bereaksi lebih lanjut di antara produkproduk itu sendiri atau dengan reaktan lain untuk menghasilkan produk lain. Reaksireaksi tambahan akan mengurangi hasil dari reaksi pertamanya. Untuk menentukan tingkat efisiensi reaksi yang berlangsung, para ahli kimia seringkali mencari persen hasil, yang menggambarkan perbandingan antara hasil sebenarnya dengan hasil teoritis, yang dihitung sebagai berikut. ℎ𝑎𝑠𝑖𝑙 𝑠𝑒𝑏𝑒𝑛𝑎𝑟𝑛𝑦𝑎 % ℎ𝑎𝑠𝑖𝑙 = × 100% ℎ𝑎𝑠𝑖𝑙 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑡𝑖𝑠 Hasil persen berkisar antara 1% sampai 100 persen. Para kimiawan berusaha untuk memaksimalkan persen hasil dalam suatu reaksi kimia. Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi persen hasil diantaranya adalah suhu dan tekanan. Kita akan mempelajari faktor-faktor ini kemudian. Pada contoh 3.16 kita akan menghitung persen hasil dari suatu proses industri. CONTOH 3.16 Titanium adalah logam yang kuat, ringan, dan tahan korosi yang digunakan untuk badan pesawat, mesin jet, kerangka sepeda, dan sendi buatan. Logam ini diperoleh dari reaksi titantium(IV) klorida dengan magnesium cair pada suhu antara 950°C ‒ 1150°C dengan persamaan reaksi sebagai berikut : TiCl4(g) + 2Mg(l) Ti(s) + 2MgCl2(l) Dalam suatu industri tertentu, 2,84 x 107 g TiCl4 direaksikan dengan 1,09 x 107 g Mg. (a) Hitung hasil teoritis Ti dalam gram. (b) Hitung persen hasilnya jika hasil sebenarnya adalah 5,97 x 106 g Ti. Penyelesaian Lakukan dua perhitungan terpisah untuk menentukan pereaksi pembatasnya. Pertama, mulailah dengan 2,84 x 107 g TiCl4, hitunglah jumlah mol Ti yang akan terbentuk jika seluruh TiCl4 habis bereaksi. Tahap konversinya adalah maka
massa TiCl4
mol TiCl4
mol Ti
1 𝑚𝑜𝑙 𝑇𝑖𝐶𝑙4 1 𝑚𝑜𝑙 𝑇𝑖 × = 1,50 × 105 𝑚𝑜𝑙 𝑇𝑖 189,68 𝑔 𝑇𝑖𝐶𝑙4 1 𝑚𝑜𝑙 𝑇𝑖𝐶𝑙4 Selanjutnya, kita hitung jumlah mol Ti yang terbentuk dari 1,09 x 107 g Mg. Tahap konversinya adalah massa Mg mol Ti mol Mg 𝑚𝑜𝑙 𝑇𝑖 = 2,84 × 107 𝑔 𝑇𝑖𝐶𝑙4 ×
dan ditulis 1 𝑚𝑜𝑙 𝑀𝑔 1 𝑚𝑜𝑙 𝑇𝑖 × = 2,24 × 105 𝑚𝑜𝑙 𝑇𝑖 24,31 𝑔 𝑀𝑔 2 𝑚𝑜𝑙 𝑀𝑔 Oleh karena itu, TiCl4 merupakan pereaksi pembatas karena menghasilkan Ti dalam jumlah yang lebih sedikit. Massa Ti yang terbentuk adalah 𝑚𝑜𝑙 𝑇𝑖 = 1,09 × 107 𝑔 𝑀𝑔 ×
K i m i a D a s a r 1 | 91
1,50 × 105 𝑚𝑜𝑙 𝑇𝑖 ×
47,88 𝑔 𝑇𝑖 = 7,18 × 106 𝑔 𝑇𝑖 1 𝑚𝑜𝑙 𝑇𝑖
Dari hasil tersebut dapat ditentukan persen hasilnya, yaitu ℎ𝑎𝑠𝑖𝑙 𝑠𝑒𝑏𝑒𝑛𝑎𝑟𝑛𝑦𝑎 % ℎ𝑎𝑠𝑖𝑙 = × 100% ℎ𝑎𝑠𝑖𝑙 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑡𝑖𝑠 5,97 × 106 𝑔 𝑇𝑖 % ℎ𝑎𝑠𝑖𝑙 = × 100% 7,18 × 106 𝑔 𝑇𝑖 % ℎ𝑎𝑠𝑖𝑙 = 83,1% Latihan Dalam industri, logam vanadium, yang digunakan dalam aliasi logam, dapat diperoleh dari reaksi antara vanadium(V) oksida dengan kalsium pada suhu tinggi. 5Ca + V2O5 5CaO + 2V 3 Dalam suatu proses, 1,54 x 10 g V2O5 bereaksi dengan 1,96 x 103 g Ca. (a) Hitunglah hasil teoritis dari logam vanadium. (b) Hitung persen hasilnya jika dalam kondisi sebenarnya dihasilkan 803 g logam vanadium. REVIEW Mengapa persen hasil suatu reaksi kimia tidak bias lebih besar dari 100% ? SUMMARY 1. Massa atom diukur dalam satuan massa atom (amu), satuan relatif yang diperoleh berdasarkan nilai massa yang tepat dari isotop karbon-12, yaitu 12. Massa atom dari suatu atom unsur tertentu adalah massa rata-rata dari distribusi isotop alami unsur tersebut di alam. Massa molekul adalah jumlah massa atom-atom penyusun molekul tersebut. Massa atom dan massa molekul dapat ditentukan secara akurat dengan spetrometer massa. 2. Satu mol adalah sejumlah bilangan Avogadro (6,022 x 1023) dari atom, molekul, atau partikel lainnya. Nilai massa molar (dalam gram) dari suatu unsur atau senyawa sama dengan massa dalam satuan massa atom (amu) dan mengandung sejumlah bilangan Avogadro berupa atom (dalam hal unsur), molekul (dalam hal senyawa molekuler), atau satuan rumus paling sederhana lain (dalam hal senyawa ionik). 3. Persen komposisi massa senyawa adalah persen massa dari masing-masing unsur yang terdapat dalam senyawa tersebut. Jika diketahui persen komposisi massa senyawa, dapat disimpulkan rumus empiris senyawa dan rumus molekulnya jika perkiraan massa molarnya diketahui. 4. Perubahan kimia, disebut pula reaksi kimia, digambarkan dalam bentuk persamaan kimia. Zat yang mengalami perubahan, yaitu reaktan, ditulis di sebelah kiri tanda panah, sedangkan zat yang terbentuk, yaitu produk, ditulis di sebelah kanan tanda panah. Persamaan kimia harus setara, sesuai dengan Hukum Kekekalan Massa.
K i m i a D a s a r 1 | 92 Jumlah atom dari setiap unsur dalam reaktan harus sama jumlahnya dengan atom unsur pada sisi produk. 5. Stoikiometri adalah studi kuantitatif tentang produk dan reaktan yang terlibat dalam reaksi kimia. Perhitungan stoikiometri paling tepat dilakukan dengan menyatakan jumlah zat yang diketahui maupun yang tidak diketahui dalam satuan mol, kemudian dikonversi ke satuan lain jika diperlukan. Pereaksi pembatas adalah reaktan yang dalam persamaan reaksi memiliki jumlah stoikiometri terkecil. Reagen ini membatasi jumlah produk yang akan terbentuk. Jumlah produk yang dihasilkan dalam reaksi (hasil sesungguhnya) mungkin kurang dari jumlah maksimum produk yang mungkin dihasilkan (hasil teoritis). Perbandingan keduanya jika dikalikan dengan 100% dinyatakan sebagai persen hasil. SOAL-SOAL LATIHAN Massa Atom 1. Apakah yang dimaksud dengan satuan massa atom? Mengapa satuan tersebut perlu untuk diperkenalkan? 2. Berapakah massa karbon-12 (dalam amu)? Mengapa massa atom karbon sebesar 12.01 amu terdapat dalam tabel di sampul depan buku ini? 3. Jelaskan apa yang dimaksud dengan pernyataan "massa atom emas adalah 197,0 amu." 4. Informasi apa saja yang dibutuhkan untuk menghitung massa rata-rata atom suatu unsur? 37 5. Massa atom 35 17𝐶𝑙 (75,53%) dan 17𝐶𝑙 (24,47%) secara berturut-turut adalah 34,968 amu dan 36,956 amu. Hitung massa atom rata-rata klorin! Persentase dalam kurung menunjukkan kelimpahan relatifnya di alam. 6. Massa atom 63𝐿𝑖 dan 73𝐿𝑖 secara berturut-turut adalah 6,0151 amu dan 7,0160 amu. Hitung kelimpahan alami dari dua isotop tersebut. Massa rata-rata atom Li adalah 6,941 amu. 7. Berapa massa (dalam gram) dari 13,2 amu? 8. Berapa amu partikel yang terdapat dalam 8,4 g zat tertentu? Bilangan Avogadro dan Massa Molar 9. Definisikan tentang istilah "mol"! Apa satuan untuk mol dalam perhitungan? Apa kesamaan mol dengan satuan sepasang, lusin, dan gros? Bilangan Avogadro mewakili apa? 10. Apakah yang dimaksud dengan massa molar sebuah atom? Apa satuan yang umum digunakan untuk massa molar ? 11. Populasi di Bumi saat ini adalah sekitar 6,5 miliar. Anggaplah setiap orang di Bumi berpartisipasi dalam proses penghitungan partikel-partikel yang identik dengan laju dua partikel per detik. Berapa tahun yang dibutuhkan untuk menghitung 6,0 x 1023 partikel? Asumsikan bahwa ada 365 hari dalam setahun.
K i m i a D a s a r 1 | 93
12. Tebal selembar kertas adalah 0,0036 inci. Anggaplah suatu buku tertentu memiliki jumlah halaman sebanyak bilangan Avogadro. Hitung ketebalan buku dalam satuan tahun cahaya! (Petunjuk : Lihat Soal 1.38 untuk definisi tahun cahaya.) 13. Berapa banyak atom yang terdapat dalam 5,10 mol belerang(S)? 14. Berapa mol atom kobalt (Co) yang terdapat dalam 6,00 x 109 (6 miliar) atom Co? 15. Berapa mol atom kalsium (Ca) dalam 77,4 g Ca? 16. Berapa gram emas (Au) yang terdapat dalam 15,3 mol Au? 17. Berapakah massa (dalam gram) dari masing-masing atom tunggal dari unsur berikut? (a) Hg; (b) Ne. 18. Berapakah massa (dalam gram) dari masing-masing atom tunggal dari unsur berikut? (a) As; (b) Ni. 19. Berapakah massa (dalam gram) dari 1,00 x 1012 atom timbal (Pb)? 20. Berapa jumlah atom yang terdapat dalam 3,14 g tembaga (Cu)? 21. Manakah dari unsur berikut yang memiliki jumlah atom lebih banyak, (a) 1,10 g atom hidrogen (H) atau (b) 14,7 g atom kromium (Cr)? 22. Manakah dari unsur berikut yang memiliki massa yang lebih besar, (a) 2 atom timah atau (b) 5,1 x 10‒23 mol helium? Massa Molekul 23. Hitung massa molekul atau massa rumus (dalam amu) dari masing-masing zat berikut : a. CH4 b. NO2 c. SO3 d. C6H6 e. NaI f. K2SO4 g. Ca3(PO4)2 24. Hitung massa molar zat berikut : a. Li2CO3 b. CS2 c. CHCl3 (kloroform) d. C6H8O6 (asam askorbat, atau vitamin C) e. KNO3 f. Mg3N2 25. Hitung massa molar senyawa jika 0,372 mol senyawa tersebut memiliki massa 152 g. 26. Berapa banyak molekul aseton, ditunjukkan pada gambar dibawah ini, yang terdapat dalam 0,435 g aseton?
K i m i a D a s a r 1 | 94
27. Hitung jumlah atom C, H, O dan dalam 1,75 g asam squaric, seperti yang ditampilkan pada gambar di bawah ini.
28. Urea, (NH2)2CO, digunakan untuk pupuk dan beberapa contoh lainnya. Hitung jumlah atom N, C, O, dan H pada 1,68 x 104 g urea. 29. Feromon adalah senyawa khusus yang dikeluarkan oleh hewan betina dari spesies serangga untuk menarik perhatian pejantan. Feromon memiliki rumus lolekul C19H38O. Biasanya, feromon yang diekskresikan sebanyak ± 1,0 x 10‒12 g. Berapa banyak molekul feromon yang yang terdapat dalam jumlah tersebut? 30. Kerapatan air pada suhu 4°C adalah 1,00 g/mL. Berapa banyak molekul air yang terdapat dalam 2,56 mL air pada suhu yang sama? Spektrometer Massa 31. Jelaskan bagaimana cara kerja spektrometer massa. 32. Jelaskan bagaimana cara menentukan kelimpahan isotop dari suatu unsur berdasarkan spektrum massanya. 33. Karbon memiliki dua isotop yang stabil, 126𝐶 dan 136𝐶 sedangkan fluorin hanya memiliki satu isotop stabil, 199𝐹 . Berapa banyak puncak yang akan dapat diamati dalam spektrum massa ion positif CF4+ ? Asumsikan bahwa ion tidak hancur menjadi fragmen yang lebih kecil. 34. Hidrogen memiliki dua isotop yang stabil, 11𝐻 dan 21𝐻 , sedangkan belerang 33 34 36 memiliki empat isotop yang stabil, 32 16𝑆, 16𝑆, 16𝑆, dan 16𝑆. Berapa puncak yang dapat diamati dalam spektrum massa ion positif dari hidrogen sulfida, H2S+ ? Asumsikan tidak ada dekomposisi ion menjadi fragmen yang lebih kecil. Persen Komposisi dan Rumus Kimia 35. Gunaan amonia (NH3) untuk menjelaskan apa yang dimaksud dengan persen komposisi massa suatu senyawa.
K i m i a D a s a r 1 | 95
36. Jelaskan bagaimana konsep persen komposisi massa dari senyawa yang tidak diketahui dapat membantu mengidentifikasi senyawa. 37. Apa arti kata "empiris" dalam rumus empiris? 38. Jika kita tahu rumus empiris senyawa, informasi tambahan apa yang kita perlu menentukan rumus molekulnya? 39. Timah (Sn) terdapat di kerak bumi sebagai SnO2. Hitung persen komposisi persen massa Sn dan O dalam SnO2. 40. Selama bertahun-tahun kloroform (CHCl3) digunakan sebagai anestesi inhalasi terlepas dari kenyataan bahwa senyawa tersebut juga merupakan zat beracun yang dapat menyebabkan hati yang berat, ginjal, dan kerusakan hati. Hitung persen komposisi massa masing-masing atom unsur dalam senyawa ini. 41. Alkohol sinamat terutama digunakan dalam pembuatan wewangian, parfurm, sabun dan kosmetik. Rumus molekulnya adalah C9H10O. (a) Hitung persen komposisi massa C, H, dan O dalam alkohol sinamat. (b) Berapa jumlah molekul alkohol sinamat yang terkandung dalam 0,469 g sampel alkohol? 42. Semua bahan yang tercantum di bawah ini adalah pupuk yang menyumbangkan nitrogen untuk tanah. Manakah sumber terkaya nitrogen dilihat dari persentase massanya? (a) Urea, (NH2)2CO (b) Amonium nitrat, NH4NO3 (c) Guanidin, HNC(NH2)2 (d) Amonia, NH3 43. Allicin merupakan senyawa yang berperan dalam memberikan bau khas bawang putih. Analisis senyawa memberikan persen komposisi massa berikut C = 44,4%; H = 6,21%; S = 39,5%; dan O = 9,86%. Tentukan rumus empirisnya. Bagaimana rumus molekulnya jika massa molarnya sekitar 162 g? 44. Peroksiasilnitrat (PAN) merupakan salah satu komponen asap yang terdiri dari unsur C, H, N, dan O. Tentukan persen komposisi oksigen dan rumus empiris senyawanya jika diketahui persen komposisi massa berikut : 19,8% C; 2,50% H; dan 11,6% N. Bagaimana rumus molekulnya jika massa molar senyawanya sekitar 120 g? 45. Rumus senyawa untuk karat adalah Fe2O3. Berapa mol Fe yang terdapat dalam 24,6 g senyawa tersebut? 46. Berapa gram belerang (S) yang diperlukan untuk bereaksi sempurna dengan 246 g raksa (Hg) dan menghasilkan HgS? 47. Hitung massa yodium, I2, (dalam gram) yang akan bereaksi sempurna dengan 20,4 g aluminium (Al) untuk menghasilkan aluminium iodida (AlI3). 48. Timah(II) fluoride, SnF2, sering ditambahkan ke pasta gigi sebagai bahan untuk mencegah kerusakan gigi. Berapa massa F (dalam gram) dalam 24,6 g senyawa SnF2? 49. Apa rumus empiris senyawa dengan komposisi sebagai berikut. (a) 2,1% H; 65,3% O; 32,6% S. (b) 20,2% Al; 79,8% Cl.
K i m i a D a s a r 1 | 96 50. Bagaimana rumus empiris senyawa dengan komposisi sebagai berikut. (a) 40,1% C; 6,6% H; 53,3% O. (b) 18,4% C; 21,5% N; 60,1% K. 51. Agen anticaking yang ditambahkan ke dalam garam Morton adalah kalsium silikat, CaSiO3. Senyawa ini dapat menyerap hingga 2,5 kali massa air namun tetap berupa bubuk bebas air. Hitung persen komposisi atom unsur dalam CaSiO3. 52. Rumus empiris suatu senyawa adalah CH. Jika massa molar dari senyawa ini sekitar 78 g, apa rumus molekulnya ? 53. Massa molar kafein adalah 194,19 g. Manakah rumus molekul kafein, C4H5N2O atau C8H10N4O2 ? 54. Monosodium glutamat (MSG) adalah penguat rasa makanan yang banyak disalahkan sebagai penyebab "sindrom restoran Cina" dengan gejala sakit kepala dan nyeri dada. MSG memiliki komposisi massa sebagai berikut : 35,51% C; 4,77% H; 37,85% O; 8,29% N; dan 13,60% Na. Bagaimana rumus molekulnya jika massa molar molekulnya ±169 g ?
55.
56. 57. 58. 59.
60.
Reaksi Kimia dan Persamaan Kimia Gunakan reaksi pembentukan air dari hidrogen dan oksigen untuk menjelaskan istilah-istilah berikut : (a) reaksi kimia (b) pereaksi (reaktan) (c) produk Apa perbedaan antara reaksi kimia dan persamaan kimia? Mengapa suatu persamaan kimia harus setara? Apa hukum yang harus dipenuhi oleh persamaan kimia yang setara? Tuliskan simbol yang digunakan untuk menyatakan wujud gas, cair, padat, dan fase berair dalam persamaan kimia. Setarakan persamaan berikut dengan menggunakan metode yang telah dijelaskan dalam Bagian 3.7. a. C + O2 CO h. CO + O2 CO2 b. H2 + Br2 HBr i. K + H2O KOH + H2 c. Mg + O2 MgO j. O3 O2 d. H2O2 H2O + O2 k. N2 + H2 NH3 e. Zn + AgCl ZnCl2 + Ag l. S8 + O2 SO2 f. NaOH + H2SO4 Na2SO4 + H2O m. Cl2 + NaI NaCl + I2 g. KOH + H3PO4 + H2O K3PO4 n. CH4 + Br2 CBr4 + HBr Setarakan persamaan berikut dengan menggunakan metode yang telah dijelaskan dalam Bagian 3.7. a. N2O5 N2O4 + O2 h. KNO3 KNO2 + O2 b. NH4NO3 N2O + H2O i. NH4NO2 N2 + H2O c. NaHCO3 Na2CO3 + H2O + CO2 j. P4O10 + H2O H3PO4 d. HCl + CaCO3 CaCl2 + H2O + CO2 k. Al + H2SO4 Al2(SO4)3 + H2
K i m i a D a s a r 1 | 97
e. CO2 + KOH K2CO3 + H2O f. Be2C + H2O Be(OH)2 + CH4 g. S + HNO3 H2SO4 + NO2 + H2O
l. CH4 + O2 CO2 + H2O m. Cu + HNO3 Cu(NO3)2 + NO + H2O n. NH3 + CuO Cu + N2 + H2O
Jumlah Reaktan dan Produk 61. Hukum apa yang mendasari stoikiometri? Mengapa penting untuk menggunakan persamaan reaksi setara untuk menyelesaikan soal-soal stoikiometri? 62. Jelaskan langkah perhitungan yang melibatkan metode mol ! 63. Manakah diantara diagram persamaan berikut yang paling tepat menunjukkan terjadinya reaksi pada gambar dibawah ini? a. 8A + 4B C + D b. 4A + 8B 4C + 4D c. 2A + B + C D d. 4A + 2B 4C + 4D e. 2A + 4B C + D 64. Manakah diantara diagram persamaan berikut yang paling tepat menunjukkan terjadinya reaksi pada gambar dibawah ini? a. A + B C + D b. 6A + 4B C + D c. A + 2B 2C + D d. 3A + 2B 2C + D e. 3A + 2B 4C + 2D A B C D
65. Perhatikan reaksi pembakaran karbon monoksida (CO) dengan gas oksigen. 2CO(g) + O2(g) 2CO2(g) Jika terdapat 3,60 mol CO, hitung jumlah mol CO2 yang dihasilkan jika terdapat gas oksigen yang cukup untuk bereaksi dengan semua CO. 66. Silikon tetraklorida (SiCl4) dapat dibuat dengan memanaskan Si dalam gas klor. Si(s) + 2Cl2(g) SiCl4(l) Dalam satu reaksi, dihasilkan 0,507 mol SiCl4. Berapa mol gas klorin yang digunakan dalam reaksi? 67. Amonia adalah pupuk nitrogen utama. Amonia dibuat dengan mereaksikan hidrogen dan nitrogen. 3H2(g) + N2(g) 2NH3(g) Dalam reaksi tertentu dihasilkan 6,0 mol NH3. Berapa mol H2 dan N2 yang dibutuhkan agar reaksi tersebut berlangsung? 68. Perhatikan reaksi pembakaran butana berikut.
K i m i a D a s a r 1 | 98
69.
70.
71.
72.
73.
74.
75.
2C4H10(g) + 13O2(g) 8CO2(g) + 10H2O(l) Dalam suatu reaksi, 5,0 mol C4H10 bereaksi dengan O2 berlebih. Hitung jumlah mol CO2 yang terbentuk. Produksi tahunan belerang dioksida dari proses pembakaran batubara dan bahan bakar fosil, knalpot mobil, dan sumber-sumber lainnya adalah sekitar 26 juta ton, dengan persamaan reaksi sebagai berikut. S(s) + O2(g) SO2(g) Berapa massa belerang (dalam ton), yang terdapat dalam bahan awal sehinggal terbentuk sejumlah tertentu gas SO2? Ketika baking soda (sodium bikarbonat atau natrium hidrogen karbonat, NaHCO3) dipanaskan, ia melepaskan gas karbon dioksida yang menyebabkan kue, donat, dan roti mengembang. (a) Tulis persamaan reaksi setara penguraian senyawa tersebut, dimana salah satu produknya adalah Na2CO3. (b) Hitung massa NaHCO3 yang dibutuhkan untuk menghasilkan 20,5 g gas CO2. Jika kalium sianida (KCN) bereaksi dengan asam, akan dihasilkan gas hidrogen sianida (HCN) yang beracun dan mematikan, seperti persamaan reaksi berikut. KCN(aq) + HCl(aq) KCl(aq) + HCN(g) Jika 0,140 g sampel KCN direaksikan dengan HCl berlebih, hitung jumlah HCN yang terbentuk (dalam gram). Fermentasi adalah sebuah proses kimia yang kompleks dalam pembuatan anggur, dimana glukosa diubah menjadi etanol dan karbon dioksida. C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 glukosa etanol Jika pada awal reaksi terdapat 500,4g glukosa, berapa jumlah maksimum etanol (dalam gram dan liter) yang dapat diperoleh melalui proses ini? (Kerapatan etanol = 0,789 g/mL) Setiap satuan tembaga(II) sulfat berikatan dengan lima molekul air dalam kristal tembaga(II) sulfat pentahidrat, CuSO4.5H2O. Pada saat senyawa ini dipanaskan di udara dengan suhu di atas 100°C, ia akan melepaskan molekul-molekul air dan kehilangan warna birunya. CuSO4.5H2O CuSO4 + 5H2O Jika 15,01 g senyawa CuSO4 dipanaskan maka akan tersisa 9,60 g CuSO4.Hitung jumlah mol H2O yang terdapat dalam kompleks awal. Selama bertahun-tahun, pemurnian emas, yaitu proses pemisahan emas dari bahanbahan lain, melibatkan penggunaan kalium sianida. 4Au + 8KCN + O2 + 2H2O 4KAu(CN) + 4KOH Berapa jumlah minimum mol KCN yang diperlukan untuk memurnikan 29,0 g emas? Batu kapur (CaCO3) akan terurai melalui proses pemanasan untuk menghasilkan kapur (CaO) dan karbon dioksida. Hitung berapa gram kapur yang dapat dihasilkan dari 1,0 kg batu kapur.
K i m i a D a s a r 1 | 99
76. Dinitrogen oksida (N2O) disebut juga "gas tertawa." Senyawa ini dibuat melalui penguraian termal dari amonium nitrat (NH4NO3). Produk lain yang terbentuk adalah H2O. 1. Tulis persamaan reaksi setaranya. 2. Berapa banyak N2O yang terbentuk jika 0,46 mol NH4NO3 digunakan dalam reaksi? 77. Pupuk amonium sulfat, (NH4)2SO4 dibuat dengan mereaksikan amonia (NH3) dengan asam sulfat. 2NH3(g) + H2SO4(aq) (NH4)2SO4(aq) Berapa kilogram NH3 yang diperlukan untuk menghasilkan 1,00 x 105 kg (NH4)2SO4? 78. Langkah umum pembuatan gas oksigen di laboratorium adalah melalui dekomposisi termal kalium klorat (KClO3). Dengan asumsi proses dekomposisi berlangsung sempurna, hitung massa gas O2 (dalam gram) yang diperoleh dari dekomposisi 46,0 g KClO3. (Produk reaksinya berupa KCl dan O2.) Pereaksi Pembatas 79. Apakah yang dimaksud dengan pereaksi pembatas dan pereaksi berlebih? Apa arti penting dari pereaksi pembatas dalam memprediksi jumlah produk yang dihasilkan dalam reaksi? Apakah akan terdapat pereaksi pembatas jika dalam reaksi hanya terdapat satu reaktan? 80. Berikan contoh dalam kehidupan sehari-hari yang menggambarkan konsep pereaksi pembatas. 81. Nitrogen oksida (NO) bereaksi dengan gas oksigen membentuk nitrogen dioksida (NO2) berupa gas berwarna coklat gelap. 2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) Dalam suatu percobaan 0,886 mol NO direaksikan dengan 0,503 mol O2. Tentukan manakah dari dua reaktan tersebut yang merupakan pereaksi pembatas. Hitung juga jumlah mol NO2 yang dihasilkan. 82. Penipisan ozon (O3) di stratosfer telah menjadi keprihatinan besar di antara para ilmuwan dalam beberapa tahun terakhir. Para ilmuwan yakin bahwa ozon dapat bereaksi dengan nitrogen oksida (NO) yang dihasilkan oleh pesawat jet ketinggian tinggi, SST. Reaksi yang terjadi adalah O3 + NO O2 + NO2 Jika 0,740 g O3 bereaksi dengan 0,670 g NO, berapa gram NO2 yang akan dihasilkan ? Senyawa mana yang bertindak sebagai pereaksi pembatas? Hitung jumlah mol pereaksi berlebih yang tersisa pada akhir reaksi. 83. Propana (C3H8) merupakan salah satu komponen gas alam dan digunakan untuk memasak dan sebagai pemanas dalam rumah. 1. Setarakan persamaan reaksi berikut yang menunjukkan reaksi pembakaran propana di udara. C3H8 + O2 CO2 + H2O
K i m i a D a s a r 1 | 100 2. Berapa massa karbon dioksida (dalam gram) yang dihasilkan pada pembakaran 3,65 mol propana? Asumsikan bahwa oksigen merupakan pereaksi berlebih. 84. Perhatikan reaksi berikut. MnO2 + 4HCl MnCl2 + Cl2 + 2H2O Jika 0,86 mol MnO2 bereaksi dengan 48,2 g HCl, pereaksi mana yang akan habis terlebih dahulu? Berapa gram Cl2 yang akan dihasilkan dalam reaksi ini? Hasil Reaksi 85. Mengapa hasil teoritis dari suatu reaksi hanya ditentukan oleh jumlah pereaksi pembatasnya? 86. Mengapa hasil sebenarnya dari suatu reaksi kimia hampir selalu lebih kecil dari hasil teoritisnya? 87. Hidrogen fluorida digunakan dalam pembuatan freon (yang merusak ozon di stratosfer) dan dalam industri logam aluminium. Senyawa ini dibuat berdasarkan reaksi CaF2 + H2SO4 CaSO4 + 2HF Dalam suatu proses 6,00 kg CaF2 direaksikan dengan H2SO4 berlebih dan menghasilkan 2,86 kg HF. Hitung persen hasil HF. 88. Nitrogliserin (C3H5N3O9) merupakan peledak yang kuat. Reaksi dekomposisinya ditunjukkan oleh persamaan 4C3H5N3O9 6N2 + 10H2O + 12CO2 + O2
Reaksi ini menghasilkan panas yang tinggi dan gas dalam jumlah banyak. Pembentukan gas terjadi tiba-tiba bersama dengan pemuaian yang cepat sehingga menghasilkan ledakan. 1. Berapa massa maksimum O2 (dalam gram) yang dapat dihasilkan dari penguraian 2,00 x 102 g nitrogliserin? 2. Hitung persen hasil reaksi jika jumlah sebenarnya O2 yang dihasilkan adalah 6,55 g. 89. Titanium(IV) oksida, TiO2 merupakan zat putih yang diperoleh dari hasil reaksi asam sulfat dengan mineral ilmenit (FeTiO3). FeTiO3 + H2SO4 TiO2 + FeSO4 + H2O Sifatnya yang tidak tembus cahaya dan tidak beracun membuat TiO2 cocok sebagai pewarna plastik dan cat. Dalam suatu proses 8,00 x 103 kg FeTiO3 dihasilkan dari 3,67 x 103 kg TiO2. Berapa persen hasil reaksinya?
K i m i a D a s a r 1 | 101
90. Ketika dipanaskan, litium bereaksi dengan nitrogen dan menghasilkan litium nitride. 6Li(s) + N2(g) 2Li3N(s) Berapakah massa hasil teoritis Li3N yang terbentuk (dalam gram) ketika 12,3 g Li direaksikan dengan 33,6 g N2? Jika Li3N yang dihasilkan sebenarnya adalah 5,89 g, berapakah persen hasil reaksi tersebut? 91. Dalam industri, asam nitrat dihasilkan melalui proses Ostwald yang ditunjukkan oleh persamaan reaksi berikut. 4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(l) 2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) 2NO2(g) + H2O(l) HNO3(aq) + HNO2(aq) Berapakah massa NH3 (dalam gram) yang harus digunakan untuk menghasilkan 1,00 ton HNO3 sesuai dengan prosedur di atas ? Asumsikan persen hasilnya adalah 80% untuk setiap langkah reaksi? (1ton = 2000lb, 1lb = 453,6 g) 92. Sebuah sampel senyawa yang mengandung Cl dan O bereaksi dengan H2 berlebih menghasilkan 0,233 g HCl dan 0,403 g H2O. Tentukan rumus empiris senyawanya. 93. Massa atom unsur X adalah 33,42 amu. 27,22 g sampel X bergabung dengan 84,10 g unsure lain, Y, untuk membentuk senyawa XY. Hitung massa atom Y. 94. Hidrat senyawa aluminium sulfat, Al2(SO4)3.xH2O mengandung 8,20% massa Al. Hitung nilai x (jumlah molekul air yang terikat pada tiap unit Al2(SO4)3. 95. Massa sebuah batang besi adalah 664g. Setelah batang dibiarkan dalam udara lembab selama sebulan, seperdelapan dari besi berubah menjadi karat (Fe2O3). Hitung massa akhir dari batang besi dan karatnya. 96. Sebuah oksida logam tertentu memiliki rumus MO, dimana M menunjukkan unsur logamnya. 39,46 g sampel senyawa tersebut dipanaskan dengan kuat dalam gas hidrogen untuk menghilangkan oksigen yang terdapat dalam molekul air. Pada akhir reaksi diperoleh 31,70 g logam tersisa. Jika O memiliki massa atom 16,00 amu, hitunglah massa atom M dan identifikasi jenis unsurnya. 97. Sebuah sampel murni seng (Zn) direaksikan dengan asam sulfat berlebih untuk membentuk seng sulfat (ZnSO4) dan molekul gas hidrogen (H2). 1. Tulis persamaan reaksi setaranya. 2. Jika 0,0764 g H2 dihasilkan dari 3,86 g sampel Zn yang bereaksi, hitunglah persen kemurnian sampel. 3. Asumsi apa yang harus Anda buat dalam mengerjakan soal (b) ? 98. Salah satu reaksi yang terjadi pada tanur tinggi, dimana bijih besi diolah menjadi besi cor, adalah Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2 Misalkan 1,64 X 103 kg Fe yang diperoleh dari sampel 2,62 X 103-kg Fe2O3. Dengan asumsi bahwa reaksi berjalan sampai selesai, apa persen pu ¬ ritas dari Fe2O3 dalam sampel asli? 99. Karbon dioksida (CO2) adalah gas utama penyebab pemanasan global (greenhouse effect). Pembakaran bahan bakar fosil merupakan sumber utama
K i m i a D a s a r 1 | 102
100.
101.
102.
103.
104.
105.
106.
107.
108.
peningkatan konsentrasi CO2 di atmosfer. Karbon dioksida juga merupakan produk akhir dari proses metabolisme (lihat Contoh 3.13). Dengan menggunakan glukosa sebagai sampel makanan, hitung massa CO2 (dalam gram) yang dihasilkan manusia selama satu tahun, dengan asumsi setiap orang mengkonsumsi 5,0 x 102 g glukosa per hari. Populasi dunia 6,5 miliar, dan dalam setahun ada 365 hari. Karbohidrat adalah senyawa yang mengandung karbon, hidrogen, dan oksigen di mana hidrogen untuk rasio oksigen adalah 2:1. Sebuah karbohidrat tertentu mengandung karbon 40,0 persen massa. Hitung rumus empiris dan molekul senyawa jika massa molar perkiraan adalah 178 g. Pemanasan 2,40g oksida logam X (massa molar X 55,9 g/mol) dalam karbon monoksida (CO) menghasilkan logam murni dan karbon dioksida. Massa logam sebagai produk yang terbentuk adalah 1,68 g. Dari data yang diberikan, tunjukkan bahwa rumus sederhana dari oksida logam tersebut adalah X2O3 dan tulis persamaan reaksi setaranya. Senyawa X mengandung 63,3% mangan (Mn) dan 36,7%. Jika X dipanaskan, gas oksigen akan terlepas ke udara dan terbentuk senyawa baru Y yang mengandung 72,0% Mn dan 28,0% O. 1. Tentukan rumus empiris senyawa X dan Y. 2. Tulis persamaan reaksi setara perubahan X menjadi Y. Sebuah sampel yang mengandung NaCl, Na2SO4, dan NaNO3 menunjukkan hasil analisis unsur sebagai berikut : Na = 32,08%, O = 36,01%, dan Cl = 19,51%. Hitung persen massa masing-masing senyawa dalam sampel. Jika 0,273 g Mg dipanaskan dengan kuat dalam gas nitrogen, akan terjadi reaksi kimia. Produk yang dihasilkan memiliki massa 0,378 g. Tentukan rumus empiris dari senyawa yang mengandung Mg dan N. Berilah nama senyawa tersebut. Sebanyak 13,43 g campuran gas metana (CH4) dan etana (C2H6) terbakar habis dalam oksigen. Jika massa total CO2 dan H2O yang dihasilkan adalah 64,84 g, hitung fraksi CH4 dalam campuran. Sistein, dengan bentuk molekul seperti yang ditunjukkan, merupakan salah satu dari 20 asam amino yang ditemukan dalam protein pada tubuh manusia. Tuliskan rumus molekul dan hitung persen komposisi massanya. Jika persen hasil suatu reaksi kimia mencapai 90% maka dapat dianggap reaksinya berhasil. Bagaimanapun, dalam sintesis molekul kompleks seperti klorofil dan obat-obatan antikanker, seorang ahli kimia seringkali harus melakukan beberapa langkah sintesis. Berapakah persen hasil keseluruhan untuk suatu sintesis tertentu, dengan asumsi sintesis melibatkan 30 langkah reaksi dengan persen hasil 90% untuk tiap langkah? Sebuah campuran CuSO4.5H2O dan MgSO4.7H2O dipanaskan sampai semua air hilang. Jika 5,020 g campuran menghasilkan 2,988 g garam anhidrat, berapa persen massa CuSO4.5H2O dalam campuran?
SOAL PENGAYAAN
K i m i a D a s a r 1 | 103
109. (a) Seorang ahli kimia melakukan penelitian menggunakan spektrometer massa untuk mempelajari dua isotop unsur. Selama penelitian, ia merekam beberapa spektrum massa isotop. Dalam analisisnya, ia melihat bahwa perbandingan puncak yang lebih tinggi (isotop yang lebih berlimpah) dengan puncak yang lebih pendek (isotop yang kurang berlimpah) meningkat secara bertahap seiring berjalannya waktu. Dengan asumsi bahwa spektrometer massa berfungsi normal, menurut Anda apakah yang menyebabkan terjadinya perubahan ini ? (b) Spektrometri massa dapat digunakan untuk mengidentifikasi rumus molekul dengan massa molekul kecil. Untuk menunjukkan hal tersebut, identifikasilah suatu molekul yang paling memungkinkan untuk memunculkan puncak dalam spektrum massa pada : 16 amu, 17 amu, 18 amu, dan 64 amu. (c) Perhatikan bahwa ada dua molekul (diantara molekul-molekul yang lain) yang kemungkinan akan menimbulkan puncak pada 44 amu, yaitu C3H8 dan CO2. Dalam hal tersebut, seorang ahli kimia mungkin mencoba untuk mencari puncak lain yang dapat dihasilkan jika beberapa molekul terpecah dalam spektrometer. Sebagai contoh, jika seorang kimiawan melihat satu puncak di 44 amu dan juga satu puncak di 15 amu, molekul apa yang menghasilkan puncak di 44 amu? Mengapa? (d) Dengan menggunakan massa atom yang akurat berikut ini, seberapa tepat massa C3H8 dan CO2 dapat diukur untuk membedakan keduanya? 16 1 12 1𝐻 = 1,00797 𝑎𝑚𝑢; 6𝐶 = 12,00000 𝑎𝑚𝑢; dan 8𝑂 = 15,99491 𝑎𝑚𝑢 (e) Setiap tahunnya, emas senilai jutaan dolar hilang dicuri. Pada sebagian besar kasus, emas dilebur dan dikirim ke luar negeri. Dengan cara ini emas dapat mempertahankan nilainya namun cirri-ciri identifikasinya sudah hilang. Emas adalah logam yang sangat tidak reaktif yang berada di alam dalam bentuk tidak berikatan dengan unsur lain. Selama proses mineralisasi emas, pembentukan butir-butir emas dari partikel mikroskopis emas, berbagai unsur seperti kadmium (Cd), timbal (Pb), dan seng (Zn) dicampurkan ke dalam butiran tersebut. Jumlah dan kadar kemurnian emas bervariasi sesuai dengan lokasi penambangannya. Berdasarkan informasi ini, jelaskan bagaimana Anda mengidentifikasi asal usul sepotong emas yang dicurigai dicuri dari Fort Knox, tempat penyimpanan emas pemerintah. 110. Potas adalah suatu mineral kalium yang digunakan karena kandungan kaliumnya. Sebagian besar kalium yang diproduksi di Amerika Serikat digunakan untuk pupuk. Sumber utama kalium adalah kalium klorida (KCl) dan kalium sulfat (K2SO4). Produksi potas umumnya dianggap setara dengan pembentukan kalium oksida, K2O, atau sebanding dengan jumlah K2O yang dapat dihasilkan dari mineral tertentu.
K i m i a D a s a r 1 | 104 (a) Jika harga per kg KCl adalah $ 0,055; berapa harga jual K2SO4 (dalam dollar per kg) untuk menghasilkan jumlah kalium yang sama untuk tiap dolarnya ? (b) Berapa massa (dalam kg) K2O yang mengandung jumlah mol atom K yang sama dengan kandungannya dalam 1,00 kg KCl? 111. Suatu sampel besi seberat 15,0 g dipanaskan bersama dengan kalium klorat (KClO3) dalam kontainer kedap udara. Oksigen yang dihasilkan dari dekomposisi KClO3 mengubah sejumlah Fe menjadi Fe2O3. Jika massa gabungan Fe dan Fe2O3 adalah 17,9 g; hitung massa Fe2O3 yang terbentuk dan massa KClO3 yang terdekomposisi. 112. Suatu logam tertentu, M, membentuk senyawa bromida yang mengandung 53,79% massa Br. Apakah rumus kimia senyawa tersebut ?
K i m i a D a s a r 1 | 105
BAB 4. LARUTAN DESKRIPSI Reaksi dalam Larutan Banyak reaksi kimia dan hampir semua reaksi biologis terjadi dalam media larutan. Zat (zat terlarut) yang larut dalam air (pelarut) dapat dibagi menjadi dua kategori: elektrolit dan nonelektrolit, tergantung pada kemampuannya untuk menghantarkan listrik. Tiga Jenis Reaksi Utama Dalam reaksi pengendapan, produk, yang merupakan zat yang tidak larut, terpisah dari larutan. Reaksi asam-basa melibatkan transfer proton (H+) dari asam ke basa. Dalam reaksi oksidasi-reduksi, atau reaksi redoks, elektron ditransfer dari agen pereduksi ke agen pengoksidasi. Ketiga jenis reaksi ini mewakili reaksi mayoritas yang terjadi dalam sistem kimia dan biologi. Stoikiometri Larutan Studi kuantitatif reaksi dalam larutan mengharuskan kita mengetahui konsentrasi larutan, yang biasanya diwakili oleh satuan molaritas. Studi ini meliputi analisis gravimetri, yang melibatkan pengukuran massa, dan titrasi dimana konsentrasi larutan yang tidak diketahui ditentukan oleh reaksi yang terjadi antara larutan tersebut dengan larutan yang konsentrasinya diketahui. 4.1 Sifat Umum Larutan Banyak reaksi kimia dan hampir semua proses biologi terjadi dalam larutan. Oleh karena itu, penting untuk memahami perbedaan sifat-sifat zat dalam larutan. Hal ini diawali dengan pertanyaan, apa yang dimaksud dengan larutan? Larutan adalah campuran homogen dari dua zat atau lebih. Zat dalam jumlah yang lebih kecil disebut zat terlarut, sedangkan zat dalam jumlah yang lebih besar disebut pelarut. Sebuah larutan kemungkinan berupa gas (seperti udara), padat (seperti paduan logam/ alloy), atau cairan (air laut, misalnya). Pada bagian ini kita akan membahas hanya larutan berair, dimana zat terlarut awalnya adalah cairan atau padatan dan pelarutnya adalah air. Elektrolit vs Nonelektrolit Semua zat terlarut yang larut dalam air dapat menjadi salah satu dari dua kategori: elektrolit dan nonelektrolit. Elektrolit adalah zat yang ketika dilarutkan dalam air,
K i m i a D a s a r 1 | 106 menghasilkan larutan yang dapat menghantarkan listrik. Sedangkan nonelektrolit tidak menghantarkan listrik bila dilarutkan dalam air. Gambar 4.1 menunjukkan metode yang mudah dan langsung membedakan antara elektrolit dan nonelektrolit. Sepasang elektroda platinum direndam dalam air yang berada dalam gelas kimia. Untuk menyalakan bohlam, arus listrik harus mengalir dari satu elektroda ke elektroda yang lain, sehingga melengkapi sirkuit. Air murni adalah konduktor yang sangat miskin listrik. Namun, jika kita menambahkan sejumlah kecil natrium klorida (NaCl), bola lampu akan menyala secepat garam larut dalam air. NaCl padat, suatu senyawa ionik, terurai menjadi ion Na+ dan Cl– ketika dilarutkan dalam air. Ion Na+ akan tertarik ke elektroda negatif dan ion Cl– ke elektroda positif. Gerakan ini membentuk sebuah arus listrik yang setara dengan aliran elektron di sepanjang kawat logam. Karena larutan NaCl menghantarkan listrik, kita mengatakan bahwa NaCl adalah elektrolit. Air murni mengandung ion sangat sedikit, sehingga tidak dapat menghantarkan listrik. Perbandingan kecerahan bola lampu untuk jumlah molar yang sama dari zat terlarut membantu kita membedakan antara elektrolit kuat dan lemah. Karakteristik elektrolit kuat adalah bahwa zat terlarut diasumsikan 100 persen terdisosiasi menjadi ion dalam larutan. (Disosiasi adalah peruraian senyawa menjadi kation dan anion.) Dengan demikian, natrium klorida yang larut dalam air dapat ditulis sebagai H2O
NaCl(s) →
Na+(aq) + Cl–(aq)
Reaksi tersebut menunjukkan bahwa seluruh natrium klorida yang dilarutkan dalam air dapat menghasilkan ion Na+ dan Cl–; sehingga tidak ada NaCl yang tidak terdisosiasi dalam larutan.
(a)
(b)
(c)
K i m i a D a s a r 1 | 107
Gambar 4.1 Sebuah susunan untuk membedakan antara elektrolit dan nonelektrolit. Kemampuan larutan untuk menghantarkan listrik tergantung pada jumlah ion yang dikandungnya. (a) Larutan nonelektrolit tidak mengandung ion, dan bola lampu tidak menyala.(b) Larutan elektrolit lemah mengandung ion dalam jumlah kecil, dan bola lampu remang-remang. (c) Larutan elektrolit kuat mengandung ion dalam jumlah besar, dan bola lampu menyala terang. Jumlah molar zat terlarut dalam ketiga gambar adalah sama. Tabel 4.1 Klasifikasi Zat Terlarut dam Larutan Elektrolit Kuat
Elektrolit Lemah
Nonelektrolit
HCl
CH3COOH
(NH2)2CO (urea)
HNO3
HF
CH3OH (metanol)
HClO4
HNO2
C2H5OH (etanol)
H2SO4*
NH3
C6H12O6 (glukosa)
NaOH
H2O*
C12H22O11 (sukrosa)
Ba(OH)2 Senyawa ionik *H2SO4 terionisasi menjadi dua ion H+ * Air murni adalah elektrolit yang sangat lemah Tabel 4.1 merupakan daftar contoh elektrolit kuat, elektrolit lemah, dan nonelektrolit. Senyawa ionik, seperti natrium klorida, kalium iodida (KI), dan kalsium nitrat [Ca(NO3)2], merupakan elektrolit kuat. Sangat menarik untuk dicatat bahwa cairan tubuh manusia mengandung banyak elektrolit kuat dan lemah. Air adalah pelarut yang sangat efektif untuk senyawa ionik. Meskipun air adalah molekul netral, memiliki ujung positif (atom H) dan ujung negatif (atom O), atau "kutub" positif dan negatif, karena alasan ini, air sering disebut sebagai pelarut polar. Ketika suatu senyawa ionik seperti natrium klorida larut dalam air, jaringan tiga dimensi dari ion-ion dalam padatan ini hancur, dan ion Na+ dan Cl– terpisah satu sama lain. Dalam larutan, masing-masing ion Na+ dikelilingi oleh sejumlah molekul air dengan ujung negatif berorientasi pada kation. Demikian pula, setiap ion Cl– dikelilingi oleh molekul air dengan ujung positif berorientasi pada anion (Gambar 4.2). Proses dimana ion dikelilingi oleh molekul air yang tersusun secara spesifik disebut hidrasi.
K i m i a D a s a r 1 | 108 Hidrasi membantu untuk menstabilkan ion dalam larutan dan mencegah kation bergabung dengan anion. Asam dan basa juga elektrolit. Beberapa asam, termasuk asam klorida (HCl) dan asam nitrat (HNO3), adalah elektrolit kuat. Asam terionisasi sepenuhnya dalam air, misalnya, ketika gas hidrogen klorida larut dalam air, membentuk ion H+ dan Cl– terhidrasi: H2O
HCl(g) →
H+(aq) + Cl–(aq)
Dengan kata lain, semua molekul HCl terlarut terpisah menjadi ion H+ dan Cl– terhidrasi dalam larutan. Jadi, ketika kita menulis HCl(aq), dipahami bahwa itu adalah larutan dari ion H+(aq) dan Cl–(aq) saja dan tidak ada molekul HCl terhidrasi. Di sisi lain, asam-asam tertentu, seperti asam asetat (CH3COOH), yang ditemukan dalam cuka, terionisasi dalam tingkat yang jauh lebih rendah. Ionisasi asam asetat CH3COOH(aq)
CH3COO–(aq) + H+(aq)
Gambar 4.2 Ion Na+ dan Cl– terhidrasi. dimana CH3COO– disebut ion asetat. (Dalam teks ini kita akan menggunakan istilah disosiasi untuk senyawa ionik dan ionisasi untuk asam dan basa). Dengan menulis. rumus asam asetat CH3COOH kita mengindikasikan bahwa proton yang terionisasi berada pada gugus COOH. Panah ganda
dalam suatu persamaan berarti bahwa reaksi reversibel;
reaksi dapat terjadi di kedua arah. Awalnya, sejumlah molekul CH3COOH putus untuk menghasilkan ion CH3COO– dan H+. Dengan berjalannya waktu, beberapa ion
K i m i a D a s a r 1 | 109
CH3COO– dan H+ bergabung kembali untuk membentuk molekul CH3COOH. Akhirnya, tercapai keadaan dimana molekul asam putus secepat ion bergabung kembali. Pada kondisi ini terjadi kesetimbangan kimia, dimana tidak ada perubahan yang dapat diamati (tetapi aktivitas terus menerus berlangsung pada tingkat molekuler). Asam asetat adalah elektrolit lemah karena ionisasi dalam air tidak lengkap. Sebaliknya, dalam larutan asam klorida, ion H+ dan Cl– tidak memiliki kecenderungan untuk bergabung kembali untuk membentuk molekul HCl. Panah tunggal digunakan untuk mewakili proses ionisasi lengkap. Dalam Bagian 4.2-4.4 kita akan mempelajari tiga tipe reaksi dalam media larutan (pengendapan, asam-basa, dan oksidasi-reduksi) yang penting bagi industri, proses lingkungan, dan biologi. Reaksi-reaksi tersebut juga memainkan peran dalam kehidupan kita sehari-hari. Review Konsep Diagram di bawah ini menunjukkan tiga senyawa (a) AB2, (b) AC2, dan (c) AD2 yang dilarutkan dalam air. Manakah yang merupakan elektrolit kuat dan elektrolit yang paling lemah? (Untuk mempermudah, molekul air tidak ditampilkan).
4. 2 Reaksi Pengendapan Salah satu jenis reaksi umum yang terjadi dalam larutan adalah reaksi pengendapan, yang menghasilkan pembentukan produk yang tidak larut, atau endapan. Endapan adalah zat padat tidak larut yang terpisah dari larutan. Reaksi pengendapan biasanya melibatkan senyawa ionik. Sebagai contoh, ketika larutan timbal(II) nitrat [Pb(NO3)2] ditambahkan ke larutan kalium iodida (KI), akan terbentuk endapan kuning iodida timbal (PbI2): Pb(NO3)2(aq) + 2KI(aq) → PbI2(s) + 2KNO3(aq)
K i m i a D a s a r 1 | 110 Kalium nitrat tetap dalam larutan. Gambar 4.3 menunjukkan proses reaksi ini berlangsung. Reaksi sebelumnya adalah contoh reaksi metatesis (juga disebut reaksi perpindahan ganda), reaksi yang melibatkan pertukaran antara dua senyawa. (Dalam hal ini, senyawa menukar ion NO3– dan I–). Reaksi pengendapan yang dibahas dalam bab ini adalah contoh reaksi metatesis.
Gambar 4.3 Pembentukan endapan PbI2 dari larutan Pb(NO3)2 yang ditambahkan dalam larutan KI Kelarutan Bagaimana kita bisa memprediksi apakah endapan akan terbentuk ketika senyawa ditambahkan ke dalam larutan atau ketika dua larutan dicampur? Hal ini tergantung pada kelarutan zat terlarut, yang didefinisikan sebagai jumlah maksimum zat terlarut yang akan larut dalam jumlah tertentu pelarut pada suhu yang spesifik. Kimiawan menyebutkan zat sebagai zat larut, sedikit larut, atau tidak larut dalam arti kualitatif. Suatu zat dikatakan larut jika cukup banyak dari zat tersebut tampak larut bila
K i m i a D a s a r 1 | 111
ditambahkan ke dalam air. Jika tidak, zat tersebut digambarkan sebagai sedikit larut atau tidak larut. Semua senyawa ionik elektrolit kuat, tetapi tidak selalu larut. Tabel 4.2 menunjukkan klasifikasi sejumlah senyawa ionik umum yang larut atau tidak larut. Perlu diingat bahwa senyawa tidak larut akan tetap larut sampai batas tertentu. Gambar 4.4 menunjukkan beberapa endapan.
Tabel 4.2 Kelarutan Senyawa Ionik dalam Air pada 25°C Senyawa Larut
Pengecualian (Tidak Larut)
Kandungan senyawa ion logam alkali (Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+) dan ion amonium (NH4+) Nitrat (NO3–), bikarbonat (HCO3–), dan klorat (ClO3–) Halida (Cl–, Br–, I–)
Halida dari Ag+, Hg22+, dan Pb2+
Sulfat (SO42–)
Sulfat dari Ag+, Ca2+, Ba2+, Hg22+, dan Pb2+
Senyawa Tidak Larut
Pengecualian (Larut)
Karbonat (CO32–), fosfat (PO43–),
Senyawa yang mengandung ion logam
kromat (CrO42–), dan sulfida (S2–)
alkali dan ion amonium
Hidroksida (OH–)
Senyawa yang mengandung ion logam alkali dan ion Ba2+
K i m i a D a s a r 1 | 112
Gambar 4.4 Penampakan dari beberapa endapan. Dari kiri ke kanan: CdS, PbS, Ni(OH)2, Al(OH)3. Contoh 4.1 Klasifikasikan kelarutan (larut atau tidak larut) senyawa ion berikut: (a) timbal sulfat (PbSO4), (b) barium karbonat (BaCO3), (c) litium fosfat (Li3PO4). Strategi: Meskipun tidak perlu menghafal kelarutan senyawa, kalian harus mengingat aturan berikut: semua senyawa yang mengandung kation logam alkali, amonium, nitrat, bikarbonat, dan klorat dapat larut. Untuk senyawa lain, kita perlu mengacu pada Tabel 4.2. Penyelesaian: (a) Menurut Tabel 4.2, PbSO4 tidak larut. (b) Anion senyawa ini adalah karbonat dan kationnya Ba, yang merupakan logam golongan 2A. Oleh karena itu, BaCO3 dapat larut. (c) Litium adalah logam alkali (golongan 1A) sehingga Li3PO4 larut. Latihan: Klasifikasikan kelarutan (larut atau tidak larut) senyawa ion berikut: (a) FeS, (b) Ca(OH)2, (c) Co(NO3)3. Persamaan Molekul, Persamaan Ion, dan Persamaan Ion Bersih Persamaan pada halaman 100 menjelaskan pengendapan iodida yang disebut persamaan molekul, karena rumus dari senyawa ditulis seolah-olah semua spesies ada sebagai
K i m i a D a s a r 1 | 113
molekul atau unit keseluruhan. Sebuah persamaan molekul berguna karena dapat mengidentifikasi reagen (yaitu, timbal nitrat dan kalium iodida). Jika kita ingin membawa reaksi tersebut ke laboratorium, kita akan menggunakan persamaan molekul. Namun, persamaan molekul tidak menjelaskan secara rinci apa yang sebenarnya terjadi dalam larutan secara mikroskopis. Seperti dijelaskan sebelumnya, ketika senyawa ion larut dalam air, senyawa tersebut pecah menjadi komponen kation dan anion. Agar lebih realistis, persamaan harus menunjukkan pemisahan senyawa ion terlarut menjadi ion. Oleh karena itu, kembali ke reaksi antara kalium iodida dan timbal nitrat, ditulis Pb2+(aq) + 2NO3–(aq) + 2K+(aq) + 2I–(aq) → PbI2(s) + 2K+(aq) + 2NO3–(aq) Persamaan sebelumnya adalah contoh dari persamaan ion, yang menunjukkan spesies terlarut sebagai ion bebas. Untuk melihat apakah endapan mungkin terbentuk dari larutan ini, pertama-tama kita menggabungkan kation dan anion dari senyawa yang berbeda, yaitu, PbI2 dan KNO3. Mengacu pada Tabel 4.2, kita melihat bahwa PbI2 merupakan senyawa yang tidak larut sedangkan KNO3 merupakan senyawa yang larut. Oleh karena itu, KNO3 terlarut tetap berada dalam larutan sebagai ion K+ dan NO3– yang terpisah, yang disebut ion penonton, atau ion yang tidak terlibat dalam reaksi keseluruhan. Karena ion penonton muncul di kedua sisi persamaan, ion penonton dapat dihilangkan dari persamaan ionik Pb2+(aq) + 2NO3–(aq) + 2K+(aq) + 2I–(aq) → PbI2(s) + 2K+(aq) + 2NO3–(aq) Akhirnya, didapatkan persamaan ion bersih yang hanya menunjukkan spesies yang benar-benar mengambil bagian dalam reaksi: Pb2+(aq)) + 2I–(aq) → PbI2(s) Contoh lain, ketika larutan barium klorida (BaCl2) ditambahkan dalam larutan natrium sulfat (Na2SO4), endapan putih terbentuk (Gambar 4.5). Perlakuan ini disebut sebagai reaksi metatesis, produk yang terbentuk adalah BaSO4 dan NaCl. Dari Tabel 4.2 kita melihat bahwa BaSO4 tidak dapat larut. Oleh karena itu, kita menulis persamaan molekul sebagai BaCl2(aq) + Na2SO4(aq) →BaSO4(s) + 2NaCl(aq) Persamaan ion untuk reaksi adalah
K i m i a D a s a r 1 | 114 Ba2+(aq) + 2Cl–(aq)+ 2Na+(aq) + SO42–(aq) → BaSO4(s) + 2Na+(aq) + 2Cl–(aq) Penghilangan ion penonton (Na+ dan Cl–) pada kedua sisi persamaan menunjukkan persamaan ion bersih Ba2+(aq) + SO42–(aq) → BaSO4(s)
Gambar 4.5 Pembentukan endapan BaSO4 Empat langkah berikut merupakan ringkasan prosedur untuk menulis persamaan ionik dan persamaan ion bersih: 1. Tuliskan persamaan molekul yang setara untuk reaksi, menggunakan rumus yang benar untuk reaktan dan produk senyawa ionik. Lihat Tabel 4.2 untuk memutuskan mana dari produk yang tidak larut dan akan muncul sebagai endapan. 2. Tuliskan persamaan ion untuk reaksi. Senyawa yang tidak muncul sebagai endapan harus ditampilkan sebagai ion bebas. 3. Identifikasi dan hilangkan ion penonton di kedua sisi persamaan. Tuliskan persamaan ion bersih untuk reaksi. 4. Periksa bahwa muatan dan jumlah atom dalam persamaan ion bersih sudah setara. Contoh 4.2 Perkirakan apa yang terjadi ketika larutan kalium fosfat (K3PO4) dicampur dengan larutan kalsium nitrat [Ca(NO3)2]. Tulis persamaan ion bersih untuk reaksi ini. Strategi: Informasi yang diberikan berguna untuk menuliskan persamaan reaksi yang tidak setara terlebih dahulu. K3PO4(aq) + Ca(NO3)2(aq) → ?
K i m i a D a s a r 1 | 115
Apa yang terjadi ketika senyawa ion larut dalam air? Ion apa yang terbentuk dari pemisahan K3PO4 dan Ca(NO3)2? Apa yang terjadi ketika kation bertemu anion dalam larutan? Penyelesaian: Dalam larutan, K3PO4 terdisosiasi menjadi ion K+ dan PO43– dan Ca(NO3)2 terdisosiasi menjadi ion Ca2+ dan NO3–. Menurut Tabel 4.2, ion kalsium (Ca2+) dan ion fosfat (PO43–) akan membentuk senyawa yang tidak larut, kalsium fosfat [Ca3(PO4)2], sedangkan produk lainnya, KNO3, dapat larut dan tetap dalam larutan. Oleh karena itu, reaksi ini adalah reaksi pengendapan. Langkah-langkahnya diuraikan sebagai berikut. Langkah 1: Persamaan molekul setara untuk reaksi ini adalah 2K3PO4(aq) + 3Ca(NO3)2(aq) → Ca3(PO4)2(s) + 6KNO3(aq) Langkah 2: Untuk menulis persamaan ion, senyawa yang dapat larut akan dituliskan sebagai ion yang terdisosiasi: 6K+(aq) + 2PO43–(aq) + 3Ca2+(aq) + 6NO3–(aq) → 6K+(aq) + 6NO3–(aq) + Ca3(PO4)2(s) Langkah 3: Menghilangkan ion penonton (K+ dan NO3–) di setiap sisi persamaan, kita memperoleh persamaan ion bersih: 3Ca2+(aq) + 2PO43–(aq) → Ca3(PO4)2(s) Langkah 4: Perhatikan bahwa karena persamaan molekul telah disetarakan terlebih dahulu, maka persamaan ioniknya juga harus disetarakan sehingga jumlah muatan atom pada sisi positif (+6) dan sisi negatif (–6) sehingga muatan di sisi kiri-kanan sama. Latihan: Perkirakan endapan yang dihasilkan apabila larutan Al(NO3)3 dicampur dengan larutan NaOH. Tuliskan persamaan ion bersih untuk reaksi ini. Review Konsep Manakah dari diagram berikut yang akurat untuk menggambarkan reaksi antara Ca(NO3)2 (aq) dan Na2CO3(aq)? Untuk mempermudah, hanya ion Ca2+(kuning) dan CO32–(biru) yang ditampilkan.
K i m i a D a s a r 1 | 116
4.3 Reaksi Asam-Basa Asam dan basa dikenal sebagai aspirin dan susu magnesium, meskipun banyak orang tidak tahu nama kimianya–asam asetilsalisilat (aspirin) dan magnesium hidroksida (susu magnesium). Selain menjadi dasar dari kebanyakan obat dan produk rumah tangga, asam-basa kimia penting dalam proses industri dan penting dalam mempertahankan sistem biologi. Sebelum kita mendiskusikan reaksi asam-basa, kita perlu tahu lebih banyak tentang asam dan basa itu sendiri. Sifat Umum Asam dan Basa Dalam Bagian 2.7 kita mendefinisikan asam sebagai zat yang terionisasi dalam air untuk menghasilkan ion H+ dan basa sebagai zat yang terionisasi dalam air untuk menghasilkan ion OH–. Definisi ini dirumuskan pada abad kesembilan belas oleh kimiawan Swedia Svante Arrhenius untuk mengelompokkan sifat zat yang berada dalam larutan yang dikenal. Asam Asam memiliki rasa asam, misalnya cuka terasa asam karena mengandung asam asetat, lemon dan buah jeruk lainnya mengandung asam sitrat. Asam menyebabkan perubahan warna pada pewarna alami (berasal dari tumbuhan), misalnya, asam mengubah warna lakmus dari biru menjadi merah. Asam bereaksi dengan logam tertentu, seperti seng, magnesium, dan besi, untuk menghasilkan gas hidrogen. Reaksi yang khas terjadi antara asam klorida dan magnesium: 2HCl(aq) + Mg(s) → MgCl2(aq) + H2(g) Asam bereaksi dengan karbonat dan bikarbonat, seperti Na2CO3, CaCO3, dan NaHCO3, untuk menghasilkan gas karbon dioksida (Gambar 4.6). Misalnya, 2HCl(aq) + CaCO3(s) → CaCl2(aq) + H2O(l) + CO2(g) HCl(aq) + NaHCO3(s) → NaCl(aq) + H2O(l) + CO2(g) Larutan asam dapat menghantarkan listrik.
K i m i a D a s a r 1 | 117
Gambar 4.6 Potongan kapur tulis, yang mengandung CaCO3, bereaksi dengan asam klorida untuk menghasilkan gas karbon dioksida. Basa
Basa memiliki rasa pahit.
Basa terasa licin, misalnya, sabun yang mengandung basa, menunjukkan sifat ini.
Basa menyebabkan perubahan warna pada pewarna alami (berasal dari tumbuhan), misalnya, basa mengubah warna lakmus dari merah ke biru.
Larutan basa dapat menghantarkan listrik.
Asam dan Basa Brønsted Arrhenius mendefinisikan tentang asam dan basa hanya terbatas dalam larutan. Definisi lebih luas diusulkan oleh kimiawan Denmark Johannes Brønsted pada tahun 1932, asam Brønsted adalah donor proton, dan basa Brønsted adalah akseptor proton. Perhatikan bahwa definisi asam dan basaBrønsted ini tidak memerlukan larutan. Asam klorida adalah asam Brønsted karena menyumbangkan (donor) proton dalam air:
K i m i a D a s a r 1 | 118
Gambar 4.7 Ionisasi HCl dalam air membentuk ion H3O+ dan ion Cl–. Perhatikan bahwa ion H+ adalah atom hidrogen yang telah kehilangan elektronnya, yang disebut proton telanjang. Ukuran proton adalah sekitar 10–15 m, dibandingkan dengan diameter rata-rata 10–10 m untuk ion atau atom. Ion H+ merupakan partikel bermuatan sangat kecil yang tidak bisa eksis sebagai entitas yang terpisah dalam larutan karena adanya daya tarik yang kuat pada kutub negatif (atom O) dalam H2O. Akibatnya, proton ada dalam bentuk terhidrasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.7. Oleh karena itu, ionisasi dari asam klorida harus ditulis sebagai HCl(aq) + H2O(l) → H3O+(aq) + Cl–(aq) Proton terhidrasi, H3O+, disebut ion hidronium. Persamaan ini menunjukkan reaksi dimana asam Brønsted (HCl) menyumbangkan proton ke basa Brønsted (H2O). Percobaan menunjukkan bahwa ion hidronium lebih terhidrasi sehingga proton mungkin memiliki beberapa molekul air yang terkait dengannya. Karena sifat asam dari proton tidak terpengaruh oleh tingkat hidrasi, dalam teks ini kita umumnya akan menggunakan H+(aq) untuk mewakili proton terhidrasi. Notasi ini untuk kenyamanan, akan tetapi H3O+ lebih mendekati kenyataan. Perlu diketahui bahwa kedua notasi mewakili spesies yang sama dalam larutan. Asam yang umum digunakan di laboratorium meliputi asam klorida (HCl), asam nitrat (HNO3), asam asetat (CH3COOH), asam sulfat (H2SO4), dan asam fosfat (H3PO4). Tiga pertama adalah asam monoprotik, yaitu, setiap unit asam menghasilkan satu ion hidrogen pada ionisasi: HCl(aq) → H+(aq) + Cl–(aq) HNO3(aq) → H+(aq) + NO3–(aq) CH3COOH(aq) CH3COO–(aq) + H+(aq) Seperti disebutkan sebelumnya, karena ionisasi asam asetat tidak lengkap (perhatikan panah ganda), maka asam asetat adalah elektrolit lemah. Untuk alasan ini, asam asetat disebut asam lemah (lihat Tabel 4.1). Di sisi lain, HCl dan HNO3 adalah
K i m i a D a s a r 1 | 119
asam kuat karena mereka adalah elektrolit yang kuat, sehingga benar-benar terionisasi dalam larutan (perhatikan penggunaan panah tunggal). Asam sulfat (H2SO4) adalah asam diprotik karena setiap unit asam menyerahkan dua ion H+, dalam dua langkah terpisah: H2SO4(aq)→ H+(aq) + HSO4–(aq) HSO4–(aq) H+(aq) + SO42–(aq) H2SO4 adalah elektrolit kuat atau asam kuat (langkah pertama ionisasi selesai), tapi HSO4– merupakan asam lemah atau elektrolit lemah, dan kita perlu panah ganda untuk mewakili ionisasi lengkapnya. Asam triprotik, yang menghasilkan tiga ion H+, relatif sedikit jumlahnya. Asam triprotik dikenal adalah asam fosfat, ionisasinya H+(aq) + H2PO4–(aq) H+(aq) + HPO42–(aq) H+(aq) + PO43–(aq)
H3PO4(aq) H2PO4–(aq) HPO42–(aq)
Ketiga spesies (H3PO4, H2PO4–, dan HPO42–) dalam hal ini adalah asam lemah, sehingga digunakan panah ganda untuk mewakili setiap langkah ionisasi. Anion seperti H2PO4– dan HPO42– ditemukan dalam larutan fosfat seperti NaH2PO4 dan Na2HPO4. Tabel 4.1 menunjukkan bahwa natrium hidroksida (NaOH) dan barium hidroksida [Ba(OH)2] adalah elektrolit kuat. Ini berarti bahwa zat tersebut benar-benar terionisasi dalam larutan: H2O
NaOH(s) →
H2O
Ba(OH)2(s) →
Na+(aq) + OH–(aq) Ba2+(aq) + 2OH–(aq)
Ion OH– dapat menerima proton sebagai berikut: H+(aq) + OH–(aq) → H2O(l) Dengan demikian, OH– adalah basa Brønsted. Amonia (NH3) diklasifikasikan sebagai basa Brønsted karena dapat menerima ion H+ (Gambar 4.8): NH3(aq) + H2O(l)
NH4+(aq) + OH–(aq)
K i m i a D a s a r 1 | 120
Gambar 4.8 Ionisasi amonia dalam air menghasilkan ion amonium dan ion hidroksida Amonia adalah elektrolit lemah (dan karena itu basa lemah) karena hanya sebagian kecil dari molekul NH3 terlarut bereaksi dengan air untuk membentuk ion NH4+ dan ion OH–. Basa kuat yang paling umum digunakan di laboratorium adalah natrium hidroksida. Karena NaOH murah dan dapat larut (semua hidroksida logam alkali dapat larut). Basa lemah yang paling umum digunakan adalah larutan amonia, yang kadangkadang keliru disebut amonium hidroksida, tidak ada bukti bahwa spesies NH4OH benar-benar ada dalam larutan selain ion NH4+ dan ion OH–. Semua unsur Golongan 2A membentuk hidroksida dari tipe M(OH)2 dimana M menunjukkan logam alkali tanah. Dari hidroksida tersebut, hanya Ba(OH)2 yang larut. Magnesium dan kalsium hidroksida digunakan dalam dunia kedokteran dan industri. Hidroksida logam lainnya, seperti Al(OH)3 dan Zn(OH)2 tidak larut dan tidak digunakan sebagai basa. Contoh 4.3 mengklasifikasikan zat yang termasuk asam Brønsted atau basa Brønsted. Contoh 4.3 Klasifikasikan setiap spesies berikut dalam larutan sebagai asam atau basa Brønsted: (a) HBr, (b) NO2–, (c) HCO32–. Strategi: Apakah karakteristik dari asam Brønsted? Apakah asam Brønsted mengandung setidaknya atom H? Dengan pengecualian dari amonia, basa Brønsted yang akan Anda hadapi pada tahap ini adalah anion. Penyelesaian: (a) Kita tahu bahwa HCl adalah asam. Karena Br dan Cl keduanya halogen (Golongan 7A), sehingga HBr seperti HCl, yang terionisasi dalam air sebagai berikut: H+(aq) + Br–(aq) → HBr(aq) Oleh karena itu, HBr merupakan asam Brønsted.
K i m i a D a s a r 1 | 121
(b) Dalam larutan, ion nitrit dapat menerima proton dari air untuk membentuk asam nitrit: NO2–(aq) + H+(aq) → HNO2(aq) Sifat ini membuat NO2– merupakan basa Brønsted. (c) Ion bikarbonat adalah asam Brønsted karena terionisasi dalam larutan sebagai berikut: HCO3–(aq)
H+(aq) + CO32–(aq)
Ion bikarbonat juga merupakan basa Brønsted karena dapat menerima sebuah proton untuk membentuk asam karbonat: HCO3–(aq) + H+(aq)
H2CO3(aq)
Periksa: HCO3– dikatakan amfoter karena memiliki sifat asam maupun sifat basa. Tanda panah ganda menunjukkan bahwa reaksi ini adalah reaksi reversibel. Latihan: Klasifikasikan masing-masing spesies berikut sebagai asam atau basa Brønsted: (a) SO42–, (b) HI, (c) H2PO4–. Netralisasi Asam-Basa Reaksi netralisasi adalah reaksi antara asam dan basa. Umumnya, reaksi larutan asambasa menghasilkan air dan garam, yang merupakan senyawa ionik terdiri dari kation selain H+ dan anion selain OH– atau O2–: asam + basa → garam + air Sebagai contoh, ketika larutan HCl dicampur dengan larutan NaOH, reaksi berikut terjadi: HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l) Namun, karena baik asam dan basa adalah elektrolit yang kuat, mereka benar-benar terionisasi dalam larutan. Persamaan ionnnya adalah H+(aq) + Cl–(aq)+ Na+(aq) + OH–(aq) → Na+(aq) + Cl–(aq) + H2O(l) Oleh karena itu, reaksi dapat diwakili oleh persamaan ion bersih H+(aq) + OH–(aq) → H2O(l) Ion Na+ dan Cl– adalah ion penonton.
K i m i a D a s a r 1 | 122 Sekarang perhatikan reaksi antara NaOH dengan asam sianida (HCN), yang adalah asam lemah: HCN(aq) + NaOH(aq) → NaCN(aq) + H2O(l) Dalam hal ini, persamaan ion adalah HCN(aq) + Na+(aq) + OH–(aq) → Na+(aq) + CN–(aq) + H2O(l) dan persamaan ion bersihnya: HCN(aq)+ OH–(aq) → CN–(aq) + H2O(l) Berikut ini juga contoh reaksi netralisasi asam-basa yang diwakili oleh persamaan molekul: HF(aq) + KOH(aq) → KF(aq) + H2O(l) H2SO4(aq) + 2NaOH(aq) → Na2SO4(aq) + 2H2O(l) Ba(OH)2(aq) + 2HNO3(aq) → Ba(NO3)2(aq) + 2H2O(l) Reaksi Asam-Basa yang Menghasilkan Gas Garam tertentu seperti karbonat (mengandung ion CO32–), bikarbonat (mengandung ion HCO3–), sulfida (mengandung ion SO32–), dan sulfida (mengandung ion S2–) bereaksi dengan asam untuk membentuk gas. Sebagai contoh, persamaan molekul untuk reaksi antara natrium karbonat (Na2CO3) dan HCl(aq) adalah Na2CO3(aq) + 2HCl(aq) → 2NaCl(aq) + H2CO3(aq) Asam karbonat tidak stabil dan jika ada dalam larutan dalam konsentrasi yang cukup terurai sebagai berikut: H2CO3(aq) → H2O(l)+ CO2(g) Reaksi serupa yang melibatkan garam antara lain NaHCO3(aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O(l)+ CO2(g) Na2SO3(aq) + 2HCl(aq) → 2NaCl(aq) + H2O(l)+ CO2(g) K2S(aq) + 2HCl(aq) → 2KCl(aq) + H2S(g) Review Konsep Manakah dari diagram berikut ini yang merupakan asam kuat? Yang merupakan asam lemah? Yang merupakan asam yang sangat lemah? Proton ada dalam air sebagai ion
K i m i a D a s a r 1 | 123
hidronium. Semua asam monoprotik. (Untuk mempermudah, molekul air tidak ditampilkan.)
4.4 Reaksi Oksidasi-Reduksi Reaksi asam-basa dapat dicirikan sebagai proses transfer proton, sedangkan golongan reaksi ini disebut oksidasi-reduksi, atau redoks, dianggap reaksi transfer elektron. Sangat banyak reaksi oksidasi-reduksi yang menjadi bagian dari dunia di sekitar kita. Diantaranya pembakaran bahan bakar fosil untuk tindakan rumah tangga, pemutih. Selain itu, unsur logam dan bukan logam diperoleh dari bijihnya dengan proses oksidasi atau reduksi. Banyak reaksi redoks yang penting terjadi dalam larutan, tetapi tidak semua reaksi redoks terjadi dalam larutan. Reaksi redoks bukan dalam larutan tidak rumit untuk ditangani, jadi kita akan mulai diskusi kita dengan reaksi dimana dua unsur bergabung untuk membentuk senyawa. Pertimbangkan pembentukan magnesium oksida (MgO) dari magnesium dan oksigen (Gambar 4.9): 2Mg(s) + O2(g) → 2MgO(s)
K i m i a D a s a r 1 | 124
Gambar 4.9 Magnesium dibakar dalam oksigen menghasilkan magnesium oksida Magnesium oksida (MgO) merupakan senyawa ionik yang terdiri dari ion Mg2+ dan O2– . Dalam reaksi ini, dua atom Mg menyerahkan atau mentransfer empat elektron untuk dua atom O (dalam O2). Untuk kenyamanan, kita bisa memikirkan proses ini sebagai dua langkah yang terpisah, yang melibatkan hilangnya empat elektron oleh dua atom Mg dan lainnya adalah penagkapan empat elektron oleh sebuah molekul O2: 2Mg → 2Mg2+ + 4e– O2 + 4e–→ 2O2– Masing-masing langkah ini disebut setengah-reaksi, yang secara eksplisit menunjukkan elektron yang terlibat dalam reaksi redoks. Jumlah setengah-reaksi memberikan reaksi keseluruhan: 2Mg + O2 + 4e–→ 2Mg2+ + 2O2– + 4e– atau, jika elektron yang muncul pada kedua sisi persamaan dihilangkan, 2Mg + O2 → 2Mg2+ + 2O2– Akhirnya, ion Mg2+ dan O2– bergabung untuk membentuk MgO: 2Mg2+ + 2O2– → MgO Reaksi oksidasi merujuk pada setengah-reaksi yang melibatkan hilangnya elektron. Kimiawan awalnya menggunakan "oksidasi" untuk menunjukkan kombinasi dari unsur-unsur dengan oksigen. Namun, sekarang memiliki makna yang lebih luas yang mencakup reaksi yang tidak hanya melibatkan oksigen. Reaksi reduksi adalah setengah-reaksi yang melibatkan penangkapan elektron. Dalam pembentukan
K i m i a D a s a r 1 | 125
magnesium oksida, magnesium teroksidasi. Magnesium dikatakan sebagai agen pereduksi karena menyumbangkan elektron ke oksigen dan menyebabkan oksigen tereduksi. Oksigen tereduksi dan bertindak sebagai agen pengoksidasi karena menerima elektron dari magnesium, menyebabkan magnesium teroksidasi. Perhatikan bahwa tingkat oksidasi dalam reaksi redoks harus sama dengan tingkat reduksi, yaitu, jumlah elektron yang hilang oleh agen pereduksi harus sama dengan jumlah elektron yang diperoleh oleh agen pengoksidasi. Agen pegoksidasi selalu tereduksi, dan agen pereduksi selalu teroksidasi. Pernyataan ini mungkin agak membingungkan, tapi itu hanyalah sebuah konsekuensi sederhana dari definisi yang terjadi pada dua proses. Bilangan Oksidasi Arti dari oksidasi dan reduksi dalam hal pelepasan dan penagkapan elektron berlaku untuk pembentukan senyawa ionik seperti MgO. Namun, definisi ini tidak akurat untuk memjelaskan pembentukan hidrogen klorida (HCl) dan sulfur dioksida (SO2): H2(g) + Cl2(g) → 2HCl(g) S(s) + O2(g) → SO2(g) Karena HCl dan SO2 bukan senyawa ionik tetapi molekul, tidak ada elektron yang ditransfer dalam pembentukan senyawa ini, seperti yang terjadi dalam kasus MgO. Namun demikian, kimiawan menemukan cara untuk membuat reaksi ini sebagai reaksi redoks karena pengukuran eksperimental menunjukkan bahwa ada transfer elektron parsial (dari H ke Cl dalam HCl dan dari S ke O pada SO2). Untuk melacak elektron dalam reaksi redoks, dapat digunakan bilangan oksidasi pada reaktan dan produk. Bilangan oksidasi atom, disebut juga keadaan oksidasi (oxidation state), menunjukkan jumlah muatan atom yang akan dimiliki dalam molekul (atau suatu senyawa ionik) jika elektron telah ditransfer sepenuhnya. Sebagai contoh, kita dapat menulis ulang persamaan sebelumnya untuk pembentukan HCl dan SO2 sebagai berikut: 0 0 H2(g) + Cl2(g) → 2HCl(g) 0 0 S(s) + O2(g) → SO2(g)
+1–1 +4–2
K i m i a D a s a r 1 | 126 Angka-angka di atas simbol unsur adalah bilangan oksidasi. Dalam kedua reaksi yang ditunjukkan, tidak ada muatan pada atom dalam molekul reaktan. Dengan demikian, bilangan oksidasinya adalah nol. Untuk molekul produk, bagaimanapun, diasumsikan bahwa transfer elektron secara lengkap telah terjadi dan bahwa atom telah menerima atau melepas elektron. Bilangan oksidasi menggambarkan jumlah elektron yang “ditrasfer”. Bilangan oksidasi memungkinkan kita untuk mengidentifikasi sekilas unsurunsur yang teroksidasi dan tereduksi. Unsur-unsur yang menunjukkan peningkatan bilangan oksidasi–hidrogen dan sulfur– dalam contoh sebelumnya–teroksidasi. Klorin dan oksigen tereduksi, sehingga bilangan oksidasinya menunjukkan penurunan dari nilai awal. Perhatikan bahwa jumlah bilangan oksidasi H dan Cl dalam HCl (+1 dan –1) adalah nol. Demikian juga, jika kita menambahkan muatan pada S (+4) dengan dua atom O [2 × (–2)], jumlahnya adalah nol. Alasannya adalah bahwa molekul HCl dan SO2 netral, sehingga muatan harus dihilangkan. Aturan berikut digunakan untuk menetapkan bilangan oksidasi: 1.
Dalam unsur bebas (yaitu, dalam keadaan tidak terkombinasi), setiap atom memiliki jumlah bilangan oksidasi nol. Dengan demikian, setiap atom dalam H2, Br2, Na, Be, K, O2, dan P4 memiliki bilangan oksidasi sama: nol.
2.
Untuk ion yang terdiri dari hanya satu atom (yaitu, ion monoatomik), jumlah bilangan oksidasinya sama dengan muatan ion. Dengan demikian, ion Li+ memiliki bilangan oksidasi +1; ion Ba2+, +2; ion Fe3+, +3; ion I–, –1; ion O2–, –2, dan seterusnya. Semua logam alkali memiliki bilangan oksidasi +1 dan semua logam alkali tanah memiliki bilangan oksidasi +2 dalam senyawanya. Aluminium memiliki bilangan oksidasi +3 dalam semua senyawanya.
3.
Jumlah bilangan oksidasi oksigen dalam senyawa (misalnya, MgO dan H2O) adalah –2, tetapi dalam hidrogen peroksida (H2O2) dan ion peroksida (O22–), adalah –1.
4.
Jumlah bilangan oksidasi hidrogen adalah +1, kecuali bila terikat pada logam dalam senyawa biner. Dalam kasus ini (misalnya, LiH, NaH, CaH2), bilangan oksidasinya adalah –1.
5.
Fluorin memiliki bilangan oksidasi dari –1 dalam semua senyawanya. Halogen lainnya (Cl, Br, dan I) memiliki bilangan oksidasi negatif ketika mereka sebagai ion halida dalam senyawanya. Ketika dikombinasikan dengan oksigen-misalnya
K i m i a D a s a r 1 | 127
dalam asam okso dan okso anion (lihat Bagian 2.7)-mereka memiliki bilangan oksidasi positif. 6.
Dalam molekul netral, jumlah dari bilangan oksidasi dari semua atom harus menjadi nol. Dalam ion poliatomik, jumlah bilangan oksidasi dari semua unsur dalam ion harus sama dengan muatan total dari ion. Misalnya, dalam ion amonium, NH4+, jumlah bilangan oksidasi N adalah –3 dan H adalah +1. Dengan demikian, jumlah dari bilangan oksidasi adalah –3 + 4 (+1) = +1, yang sama dengan muatan ion.
7.
Bilangan oksidasi tidak harus bilangan bulat. Sebagai contoh, bilangan oksidasi O 1
dalam ion superoksida, O2–, adalah – 2. Contoh 4.4 Tetapkan bilangan oksidasi untuk semua unsur dalam senyawa dan ion berikut: (a) Na2O, (b) HNO2, (c) Cr2O72–. Strategi: Secara umum, kita mengikuti aturan dalam penentuan bilangan oksidasi. Ingat bahwa semua logam alkali memiliki bilangan oksidasi +1, dan dalam kebanyakan kasus, hidrogen memiliki bilangan oksidasi +1 dan oksigen memiliki bilangan oksidasi dari –2 dalam senyawanya. Penyelesaian: (a) Dengan aturan 2, kita melihat bahwa natrium memiliki bilangan oksidasi dari +1 (Na+) dan bilangan oksidasi oksigen adalah –2 (O2–). (b) Ini adalah rumus untuk asam nitrit, yang menghasilkan ion H+ dan ion NO2– dalam larutan. Dari aturan 4, kita melihat bahwa H memiliki bilangan oksidasi +1. Dengan demikian, kelompok lain (ion nitrit) harus memiliki bilangan oksidasi bersih –1. Oksigen memiliki bilangan oksidasi dari –2, dan jika kita menggunakan x untuk mewakili bilangan oksidasi nitrogen, maka ion nitrit dapat ditulis sebagai [N(x)O2(2–)]– sehingga
x + 2(–2) = –1
atau
x = +3
(c) Dari aturan 6, kita melihat bahwa jumlah dari bilangan oksidasi dalam ion dikromat Cr2O72– harus –2. Kita tahu bahwa jumlah bilangan oksidasi O adalah –2, sehingga semua yang tersisa adalah untuk menentukan bilangan oksidasi Cr, yang kita sebut y. Ion dikromat dapat ditulis sebagai
K i m i a D a s a r 1 | 128 [Cr2(y)O7(2–)]2sehingga atau
2(y) + 7(–2) = –2 y = +6
Periksa: Dalam setiap kasus, apakah jumlah dari bilangan oksidasi dari semua atom sama dengan muatan total pada spesies? Latihan: Tetapkan bilangan oksidasi untuk semua unsur dalam senyawa dan ion berikut: (a) PF3, (b) MnO4–. Gambar 4.10 menunjukkan bilangan oksidasi yang diketahui dari unsur-unsur yang dikenal, diatur sesuai dengan posisi mereka dalam tabel periodik. Kita dapat meringkas isi gambar tersebut sebagai berikut: Unsur logam hanya memiliki bilangan oksidasi positif, sedangkan unsur nonlogam kemungkinan memiliki bilangan oksidasi positif atau negatif. Jumlah bilangan oksidasi tertinggi yang dimiliki suatu unsur dalam Golongan 1A-7A dapat sesuai dengan golongannya. Sebagai contoh, halogen berada dalam Golongan 7A, sehingga bilangan oksidasi tertingginya adalah +7. Logam transisi (Golongan 1B, 3B-8B) biasanya memiliki beberapa kemungkinan bilangan oksidasi.
K i m i a D a s a r 1 | 129
Gambar 4.10 Bilangan oksidasi unsur dalam senyawanya. Bilangan oksidasi yang umum digunakan adalah bilangan yang berwarna merah. Beberapa Reaksi Oksidasi-Reduksi Umum Di antara reaksi oksidasi-reduksi yang paling umum adalah reaksi kombinasi, reaksi dekomposisi, reaksi pembakaran, dan reaksi perpindahan. Reaksi Kombinasi (Combination Reaction) Reaksi kombinasi adalah reaksi dimana dua atau lebih zat bergabung untuk membentuk satu produk. Misalnya, 0 0 S(s) + O2(g) → SO2(g) 0 0 3Mg(s) + N2(g) → Mg3N2(s) Reaksi Dekomposisi (Decomposition Reaction)
+4–2 +2
–3
K i m i a D a s a r 1 | 130 Reaksi dekomposisi adalah kebalikan dari reaksi kombinasi. Secara khusus, reaksi dekomposisi adalah pemecahan senyawa menjadi dua atau lebih komponen. Misalnya, +2–2 0 2HgO(s) → 2Hg(l) + O2(g) +5–2 –1 2KClO3(s) → 2KCl(s) + 3O2(g) +1–1 0 2NaH(s) → 2Na(s) + H2(g)
0 0 0
Perhatikan bahwa bilangan oksidasi hanya ditunjukkan untuk unsur-unsur yang teroksidasi atau tereduksi. Reaksi Pembakaran (Combustion Reaction) Reaksi pembakaran adalah reaksi dimana zat bereaksi dengan oksigen, biasanya dengan pelepasan panas dan cahaya untuk menghasilkan api. Reaksi antara magnesium dan belerang dengan oksigen yang dijelaskan sebelumnya adalah reaksi pembakaran. Contoh lain adalah pembakaran propana (C3H8), sebuah komponen dari gas alam yang digunakan untuk pemanasan domestik dan memasak: C3H8(g) + 5O2(g) → 3CO2(g) + 4H2O(l) Semua reaksi pembakaran merupakan reaksi redoks. Reaksi Perpindahan (Displacement Reaction) Dalam reaksi perpindahan, ion (atau atom) dalam senyawa diganti dengan ion (atau atom) dari unsur lain: Reaksi perpindahan dapat menjadi salah satu dari tiga subkategori: perpindahan hidrogen, perpindahan logam, atau perpindahan halogen. 1.
Perpindahan Hidrogen. Semua logam alkali dan beberapa logam alkali tanah (Ca, Sr, dan Ba), yang paling reaktif dari unsur-unsur logam, akan menggantikan hidrogen dari air dingin (Gambar 4.11): 0 +1 +1 +1 2Na(s) + 2H2O(l)→ 2NaOH(aq) + H2(g) 0 +1 +2 +1 Ca(s) + 2H2O(l)→ Ca(OH)2(aq) + H2(g)
0 0
K i m i a D a s a r 1 | 131
Gambar 4.11 Reaksi: (a) natrium (Na) (b) kalsium (Ca) dengan air dingin. Perhatikan bahwa reaksi dengan Na lebih dahsyat dibandingan reaksi dengan Ca. Banyak logam, termasuk logam yang tidak bereaksi dengan air, mampu menggantikan hidrogen dari asam. Misalnya, seng (Zn) dan magnesium (Mg) tidak bereaksi dengan air dingin tetapi bereaksi dengan asam klorida, sebagai berikut: 0 +1 +2 Zn(s) + 2HCl(aq)→ ZnCl2(aq) + H2(g) 0 +1 +2 Mg(s) + 2HCl(aq)→ MgCl2(aq) + H2(g)
0 0
Gambar 4.12 menunjukkan reaksi antara asam klorida (HCl) dengan besi (Fe), seng (Zn), dan magnesium (Mg). Reaksi-reaksi ini digunakan untuk menyiapkan gas hidrogen di laboratorium.
K i m i a D a s a r 1 | 132 Gambar 4.12 Dari kiri ke kanan: Reaksi besi (Fe), seng (Zn), magnesium (Mg) dengan asam klorida untuk menghasilkan gas hidrogen dan logam klorida (FeCl2, ZnCl2, MgCl2). Kereaktifan dari logam-logam ini ditunjukkan dengan kecepatan pembentukan gas hidrogen, dimana yang paling lambat adalah logam yang kurang reaktif, Fe, dan yang paling cepat adalah logam yang paling reaktif, Mg.
Batangan Zn berada dalam larutan CuSO4
(a)
Ion Cu2+ berubah menjadi atom Cu. Atom Zn masuk ke dalam larutan menjadi ion Zn2+
Ketika potongan kawat tembaga dimasukkan dalam larutan AgNO3, atom Cu masuk ke dalam larutan menjadi ion Cu2+ dan ion Ag+ berubah menjadi atom Ag.
(b)
Gambar 4.13 Reaksi perpindahan logam dalam air. 2.
Perpindahan logam. Sebuah logam dalam senyawa dapat digantikan oleh logam lain dalam keadaan terpisah. Misalnya, ketika logam seng ditambahkan ke dalam larutan yang mengandung tembaga sulfat (CuSO4), logam Zn akan menggantikan ion Cu2+ dari larutan (Gambar 4.13): 0 +2 +2 Zn(s) + CuSO4(aq)→ ZnSO4(aq) + Cu(s) Persamaan ion bersih 0 +2 +2 2+ 2+ Zn(s) + Cu (aq)→ Zn (aq) + Cu(s)
0
0
K i m i a D a s a r 1 | 133
Demikian pula, logam tembaga menggantikan ion perak dari larutan yang mengandung perak nitrat (AgNO3) (juga ditunjukkan dalam Gambar 4.13): 0 +1 +2 Cu(s) + 2AgNO3(aq)→ Cu(NO3)2(aq) + Ag(s) Persamaan ion bersih 0 +1 +2 + 2+ Cu(s) + 2Ag (aq)→ Cu (aq) + Ag(s)
K e k u a t a n R e d u k s i M e n i n g k a t
0
0
Bereaksi dengan air dingin untuk meghasilkan gas H2
Bereaksi dengan uap air panas untuk menghasilkan gas H2
Bereaksi dengan asam untuk menghasilkan gas H2
Tidak bereaksi dengan air dan asam untuk menghasilkan gas H2
Gambar 4.14 Rangkaian aktivitas (activity series) untuk logam. Logam disusun berdasarkan
kemampuannya untuk menggantikan hidrogen dari asam atau air. Li
(litium) adalah logam yang
paling reaktif dan Au (emas) adalah logam yang paling
tidak reaktif. Membalikkan peranan logam akan mengakibatkan tidak adanya reaksi. Dengan kata lain, logam tembaga tidak akan menggantikan ion seng dari seng sulfat, dan logam perak tidak akan menggantikan ion tembaga dari tembaga nitrat. Cara mudah untuk memprediksi apakah terjadi reaksi perpindahan logam atau hidrogen akan benar-benar terjadi adalah dengan merujuk pada suatu rangkaian aktivitas (activity series), kadang-kadang disebut rangkaian elektrokimia, ditunjukkan pada Gambar 4.14. Pada dasarnya, suatu rangkaian aktivitas (activity series) adalah
K i m i a D a s a r 1 | 134 ringkasan hasil dari banyak reaksi perpindahan yang mungkin mirip dengan reaksi yang sudah dibahas. Menurut rangkaian ini, setiap logam di atas hidrogen akan menggantikan hidrogen dari air atau dari asam, namun logam di bawah hidrogen tidak akan bereaksi dengan air atau asam. Bahkan, setiap logam yang tercantum dalam rangkaian akan bereaksi dengan logam (dalam senyawa) di bawahnya. Misalnya, Zn di atas Cu, sehingga logam seng akan menggantikan ion tembaga dari tembaga sulfat. 3.
Perpindahan Halogen. Rangkaian aktivitas (activity series) lain merangkum perilaku halogen dalam reaksi perpindahan halogen: F2 > Cl2 > Br2 > I2 Kekuatan dari unsur-unsur Golongan 7A sebagai agen pengoksidasi menurun dari fluorin ke iodin, sehingga molekul fluorin dapat menggantikan ion klorida,
bromida, juga
dan iodida dalam larutan. Faktanya, molekul fluorin begitu reaktif yang
menyerang air; dengan demikian, reaksi-reaksi ini tidak dapat dilakukan dalam larutan. Di sisi lain, molekul klorin dapat menggantikan ion bromida dan iodida
dalam larutan . Persamaan perpindahannya adalah 0 –1 Cl2(g) + 2KBr(aq)→ 2KCl(aq) + Br2(l) 0 –1 Cl2(g) + 2NaI(aq)→ 2NaCl(aq) + I2(s)
–1
0
–1
0
Persamaan ionnya adalah 0 –1 – Cl2(g) + 2Br (aq)→ 2Cl (aq) + Br2(l) 0 –1 Cl2(g) + 2I–(aq)→ 2Cl–(aq) + I2(s)
–1
–
0
–1
0
Molekul bromin, pada akhirnya, dapat menggantikan ion iodida dalam larutan: 0 –1 –1 – – Br2(l) + 2I (aq)→ 2Br (aq) + I2(s)
0
Membalikkan peranan halogen tidak dapat menghasilkan reaksi. Dengan demikian, bromin tidak dapat menggantikan ion klorida, dan iodin tidak dapat menggantikan ion klorida dan bromida.
K i m i a D a s a r 1 | 135
Review Konsep Manakah dari reaksi kombinasi berikut bukan merupakan reaksi redoks? (a) 2Mg(s) + O2(g)→ 2MgO(s) (b) H2(g) + Cl2(g)→ 2HCl(g) (c) NH3(g) + HCl(g)→ NH4Cl(s) (d) 2Na(s) + S(s)→ Na2S(s) 4.5 Konsentrasi Larutan Untuk mempelajari stoikiometri larutan, kita harus tahu berapa banyak reaktan yang hadir dalam larutan dan juga bagaimana untuk mengontrol jumlah reaktan yang digunakan untuk menghasilkan reaksi dalam larutan. Konsentrasi suatu larutan merupakan jumlah zat terlarut dalam jumlah tertentu pelarut, atau jumlah yang diberikan larutan. (Untuk diskusi ini, kita akan mengasumsikan zat terlarut adalah cairan atau padatan dan pelarut adalah cairan) Konsentrasi larutan dapat dinyatakan dalam berbagai cara, seperti yang akan kita lihat di Bab 13. Di sini kita akan mempertimbangkan salah satu satuan yang paling umum digunakan dalam kimia, molaritas (M), atau konsentrasi molar, yang merupakan jumlah mol zat terlarut per liter larutan. Molaritas didefinisikan sebagai molaritas =
mol zat terlarut liter larutan
(4.1)
Persamaan (4.1) juga dapat dinyatakan sebagai aljabar 𝑛
M=𝑉 (4.2) dimana n menunjukkan jumlah mol zat terlarut dan V adalah volume larutan dalam liter. Dengan demikian, larutan glukosa (C6H12O6) 1,46 molar, ditulis 1,46 M C6H12O6, mengandung 1,46 mol zat terlarut (C6H12O6) dalam 1 L larutan; larutan urea 0,52 molar [(NH2)2CO], ditulis 0,52 M (NH2)2CO, mengandung 0,52 mol (NH2)2CO (zat terlarut) dalam 1 L larutan, dan sebagainya.
K i m i a D a s a r 1 | 136
Meniskus Tanda ini menunjukkan volume larutan yang diketahui
Gambar 4.15 Mempersiapkan larutan dengan molaritas diketahui. (a) Zat terlarut padat yang diketahui jumlahnya dimsukkan ke dalam labu volumetrik, kemudian air ditambahkan melalui corong. (b) Zat padat secara perlahan dilarutkan dengan memutar labu dengan hati-hati. (c) Setelah zat padat telah benar-benar larut, air ditambahkan lagi hingga mencapai tanda volume. Untuk mengetahui volume larutan dan jumlah zat terlarut di dalamnya, kita dapat menghitung molaritas larutan yang akan disiapkan. Tentu saja, kita tidak selalu bekerja dengan volume larutan tepat 1 L. Ini tidak masalah selama kita ingat untuk mengubah volume larutan ke liter. Dengan demikian, 500 mL larutan mengandung 0,730 mol C6H12O6 juga memiliki konsentrasi 1,46 M: M= molaritas =
0,730 mol 0,500 L
= 1,46 mol/L = 1,46 M Seperti yang Anda lihat, satuan molaritas adalah mol per liter, sehingga 500 mL larutan mengandung 0,730 mol C6H12O6 setara dengan 1,46 mol/L atau 1,46 M. Perlu dicatat bahwa konsentrasi, seperti kepadatan, adalah sifat yang intensif, sehingga nilainya tidak tergantung pada banyaknya larutan.
K i m i a D a s a r 1 | 137
Prosedur untuk menyiapkan larutan molaritas dikenal adalah sebagai berikut. Pertama, zat terlarut ditimbang secara akurat dan dipindahkan ke labu ukur melalui corong (Gambar 4.15). Selanjutnya, air ditambahkan ke labu dengan hati-hati diaduk untuk melarutkan zat padat. Setelah semua zat padat telah larut, air ditambahkan lagi secara perlahan hingga mencapai tanda volume. Untuk mengetahui volume larutan dalam labu dan kuantitas senyawa (jumlah mol) dilarutkan, kita dapat menghitung molaritas larutan menggunakan Persamaan (4.1). Perhatikan bahwa jumlah air yang ditambahkan dalam prosedur ini tidak perlu diketahui, asalkan volume akhir larutan diketahui. Contoh 4.5 Berapa gram kalium dikromat (K2Cr2O7) yang dibutuhkan untuk membuat 125 mL larutan yang konsentrasinya 1,83 M? Strategi: Berapa banyak mol K2Cr2O7 yang terkandung dalam 1L (atau 1000 mL) larutan K2Cr2O7 1,83 M? 125 mL larutan? Bagaimana Anda mengkonversi gram ke mol? Penyelesaian: Langkah pertama adalah untuk menentukan jumlah mol K2Cr2O7 dalam 125 mL atau 0,125 L larutan 1,83 M: mol K2Cr2O7 = 0,125 L larutan×
1,83 mol K2Cr2O7 1 L larutan
= 0,229 mol K2Cr2O7 massa molar K2Cr2O7 adalah 294,2 g, sehingga gram K2Cr2O7 yang dibutuhkan = 0,229 mol K2Cr2O7 ×
294,2 g K2Cr2O7 1 mol K2Cr2O7
= 67,4 g K2Cr2O7 Periksa: Sebagai perkiraan, massa harus diberikan oleh [molaritas (mol/L) × Volume (L) × massa molar (g/mol)] atau [2 mol/L × 0,125 L × 300 g/mol] = 75 g. Jadi jawabannya adalah wajar. Latihan: Berapa molaritas dari larutan etanol 85,0 mL (C2H5OH) yang mengandung 1,77 g etanol? Contoh 4.6 Dalam uji biokimia, ahli kimia perlu menambahkan 4,07 g glukosa ke campuran reaksi.
K i m i a D a s a r 1 | 138 Hitung volume larutan glukosa 3,16 M dalam mililiter yang harus digunakan dalam penambahan. Strategi: Petama kita harus menentukan jumlah mol yang terkandung dalam 4,07 g glukosa dan kemudian menggunakan Persamaan (4.2) untuk menghitung volume. Penyelesaian: Dari massa molar glukosa, kita menulis 4,07 g C6H12O6 ×
1 mol C6H12O6 180,2 g C6H12O6
= 2,259 × 10–2 mol C6H12O6
Selanjutnya, kita menghitung volume larutan yang mengandung 2,259 × 10–2 mol zat terlarut. Tata ulang persamaan (4.2) memberikan 𝑛
V=𝑀 = 2,259 × 10–2 mol C6H12O6 × 1000 ml larutan 3,16 mol C6H12O6/L larutan
1 L larutan
= 7,15 ml larutan Periksa: Satu liter larutan mengandung 3,16 mol C6H12O6. Oleh karena itu, jumlah mol dalam 7,15 mL atau 7,15 × 10–3 L adalah (3,16 mol 7.15 × 10–3) atau 2,26 × 10–2 mol. Perbedaan kecil terjadi karena perbedaan pembulatan. Latihan: Berapa volume (dalam mililiter) dari larutan NaOH 0,315 M yang mengandung 6,22 g NaOH? Pengenceran Larutan Larutan pekat sering disimpan dalam gudang laboratorium untuk digunakan saat dibutuhkan. Larutan digunakan sebagai larutan "stok" yang dapat diencerkan sesuai dengan kebutuhan. Pengenceran adalah prosedur untuk mempersiapkan larutan kurang pekat dari larutan lain yang lebih pekat.
K i m i a D a s a r 1 | 139
Gambar 4.16 Pengenceran larutan yang lebih pekat (a) ke yang kurang pekat (b) tidak mengubah jumlah partikel terlarut (18). Misalkan kita ingin mempersiapkan 1 L larutan KMnO4 0,400 M dari larutan KMnO4 1,00 M. Untuk tujuan ini, kita perlu 0,400 mol KMnO4. Karena ada 1,00 mol KMnO4 dalam 1 L larutan KMnO4 1,00 M, terdapat 0,400 mol KMnO4 dalam 0,400 L dari larutan yang sama: 1,00 mol 1 L larutan
0,400 mol
= 0,400 L larutan
Oleh karena itu, kita harus menarik 400 mL dari larutan KMnO4 1,00 M dan mengencerkan ke 1000 mL dengan menambahkan air (dalam labu volumetri 1-L). Metode ini memberi kita 1 L larutan KMnO4 0,400 M. Dalam proses pengenceran, kita perlu mengingat bahwa penambahan pelarut untuk jumlah tertentu larutan stok mengakibatkan penurunan konsentrasi larutan tanpa mengubah jumlah mol zat terlarut dalam larutan (Gambar 4.16). Dengan kata lain, mol zat terlarut sebelum pengenceran = mol zat terlarut setelah pengenceran Karena molaritas didefinisikan sebagai mol zat terlarut dalam satu liter larutan, kita melihat bahwa jumlah mol zat terlarut diberikan oleh mol zat terlarut liter larutan
× volume larutan (dalam liter) = mol zat terlarut
M atau
V
MV = mol zat terlarut
Karena semua zat terlarut berasal dari larutan stok asli, kita dapat menyimpulkan bahwa Mi × Vi
=
Mf × Vf
(4.3) mol larutan sebelum pengenceran
mol larutan setelah pengenceran
dimana Mi dan Mf adalah konsentrasi awal dan akhir dari larutan dalam molaritas dan Vi dan Vf adalah volume awal dan akhir dari larutan. Tentu saja satuan Vi dan Vf harus sama (mL atau L) dalam perhitungan. Untuk memeriksa hasil Anda, pastikan bahwa Mi > Mf dan Vf > Vi.
K i m i a D a s a r 1 | 140
Contoh 4.7 Jelaskan bagaimana Anda akan mempersiapkan 2,50 × 102 mL larutan H2SO4 2,25 M dari larutan stok H2SO4 7,41 M. Strategi: Karena konsentrasi larutan akhir kurang dari larutan yang asli, ini adalah proses pengenceran. Perlu diketahui bahwa dalam pengenceran, konsentrasi larutan menurun tetapi jumlah mol zat terlarut tetap sama. Penyelesaian: Diketahui : Mi
= 7,41 M
Mf
= 2,25 M
Vi
=?
Vf
= 2,50 × 102 mL
Substitusi ke Persamaan (4.3), (7,41 M) (Vi) = (2,25 M) (2,50 × 102 mL) Vi = (2,25 M) (2,50 × 102 mL) 7,41 M Vi = 75,9 ml Dengan demikian, kita harus mengencerkan 75,9 mL larutan H2SO4 7,41 M dengan air yang cukup untuk memberikan volume akhir 2,50 × 102 mL dalam labu volumetri 250 mL untuk mendapatkan konsentrasi yang diinginkan. Periksa: Volume awal kurang dari volume akhir, sehingga jawabannya adalah wajar. Latihan: Bagaimana Anda mempersiapkan 2,00 × 102 mL larutan KOH 0,866 M, dimulai dengan larutan stok 5,07 M?
Review Konsep Berapa konsentrasi akhir dari larutan NaCl 0,6 M jika volumenya dua kali lipat dan jumlah mol zat terlarutnya tiga kali lipat? 4.6 Stoikiometri Larutan Dalam Bab 3 kita mempelajari perhitungan stoikiometri dalam hal metode mol, yang melibatkan koefisien dalam persamaan yang setara sebagai jumlah mol reaktan dan produk. Dalam bekerja dengan molaritas dari larutan yang diketahui, kita harus menggunakan hubungan MV = mol zat terlarut. Dua jenis stoikiometri larutan umum yang akan dibahas dalam teks ini: analisis gravimetri dan titrasi asam-basa.
K i m i a D a s a r 1 | 141
Analisis Gravimetri Gravimetri adalah teknik analisis berdasarkan pengukuran massa. Salah satu jenis percobaan analisis gravimetri melibatkan pembentukan, isolasi, dan penentuan massa endapan. Umumnya, prosedur ini diterapkan untuk senyawa ionik. Sebuah substansi sampel dengan komposisi yang tidak diketahui dilarutkan dalam air dan dibiarkan bereaksi dengan zat lain untuk membentuk endapan. Endapan disaring, dikeringkan, dan ditimbang. Dengan mengetahui rumus massa dan rumus kimia dari endapan terbentuk, kita dapat menghitung massa komponen bahan kimia tertentu (yaitu, anion atau kation) dari sampel asli. Dari massa komponen dan massa sampel asli, kita dapat menentukan komposisi persen massa dari komponen dalam kompleks aslinya. Reaksi yang sering dipelajari dalam analisis gravimetri, karena reaktan dapat diperoleh dalam bentuk murni, adalah AgNO3(aq) + NaCl(aq) → NaNO3(aq) + AgCl(s) Persamaan ion bersih Ag+(aq) + Cl–(aq) → AgCl(s) Endapan ini AgCl (lihat Tabel 4.2). Sebagai contoh, kita ingin mengetahui kemurnian sampel NaCl yang diperoleh dari air laut. Untuk melakukannya kita perlu menentukan persen eksperimental massa Cl dalam NaCl. Pertama, kita akan menimbang sampel dari NaCl secara akurat dan melarutkannya dalam air. Selanjutnya, kita akan menambahkan larutan AgNO3 yang cukup untuk larutan NaCl sehingga mengendapkan semua ion Cl– yang ada dalam larutan sebagai AgCl. Dalam prosedur ini, NaCl adalah reagen pembatas dan AgNO3 adalah reagen berlebih. Endapan AgCl dipisahkan dari larutan dengan penyaringan, dikeringkan, dan ditimbang. Dari massa AgCl yang diukur, kita dapat menghitung massa Cl menggunakan persen massa Cl dalam AgCl. Karena jumlah Cl yang sama ada dalam sampel NaCl asli, kita dapat menghitung persen massa Cl dalam NaCl dan karenanya kita dapat menyimpulkan kemurniannya. Gambar 4.17 menunjukkan bagaimana prosedur ini dilakukan. Gravimetri adalah teknik yang sangat akurat, karena massa sampel dapat diukur secara akurat. Namun, prosedur ini hanya berlaku untuk reaksi yang sempurna, atau memberikan hasil hampir 100 persen. Dengan demikian, jika AgCl sedikit larut (bukan
K i m i a D a s a r 1 | 142 larut), tidak mungkin dapat mengendapkan semua ion Cl– dari larutan NaCl sehingga akan terjadi kesalahan pada perhitungan selanjutnya.
Gambar 4.17 Beberapa langkah dasar untuk analisis gravimetri. (a) Suatu larutan yang mengandung NaCl dengan jumlah yang diketahui dalam gelas kimia. (b) Pengendapan AgCl pada penambahan larutan AgNO3 dari sebuah silinder ukur. Dalam reaksi ini, AgNO3 adalah reagen berlebih dan NaCl adalah reagen pembatas. (c) Sebelum ditimbang, larutan yang mengandung endapan AgCl disaring dengan krusibel yang dapat dilewati cairan (bukan endapan). Krusibel tersebut kemudian diambil, dikeringkan dalam oven, dan ditimbang lagi. Perbedaan antara massa krusibel kosong dan krusibel dengan endapan dapat memberikan massa endapan AgCl. Contoh 4.8 Sebuah 0,7077 g sampel senyawa ionik yang mengandung ion klorida dan logam yang tidak diketahui dilarutkan dalam air dan diperlakukan dengan AgNO3 berlebih. Jika terbentuk endapan AgCl 1,3602 g, berapa persen massa Cl dalam senyawa aslinya? Strategi: Hitung persen massa Cl dalam sampel yang tidak diketahui, massa Cl
%Cl = 0,7077 g sampel × 100% Satu-satunya sumber ion Cl– adalah senyawa yang asli. Ion-ion klorida pada akhirnya ada dalam endapan AgCl. Bisakah kita menghitung massa ion Cl– jika kita tahu persen massa Cl dalam AgCl? Penyelesaian: massa molar Cl dan AgCl masing-masing adalah 35,45 g dan 143,4 g. Oleh karena itu, persen massa Cl di AgCl diberikan oleh %Cl =
35,45 g Cl 143,4 g AgCl
× 100%
K i m i a D a s a r 1 | 143
= 24,72% Selanjutnya, kita menghitung massa Cl dalam 1,3602 g AgCl. Untuk melakukannya kita mengkonversi 24,72 persen menjadi 0,2472 massa Cl = 0,2472 × 1,3602 = 0,3362 g Karena senyawa asli juga mengandung ion Cl– sejumlah ini, persen massa Cl dalam senyawa ini %Cl =
0,3362 g 0,7077 g
× 100%
= 47,51% Periksa: Ingatlah bahwa persen massa unsur dalam senyawa tidak dapat lebih besar dari 100%. Dengan demikian, jawaban ini tampaknya masuk akal. Latihan: Sampel dari 0,3220 g senyawa ion yang berisi ion bromida (Br–) dilarutkan dalam air dan diperlakukan dengan AgNO3 berlebih. Jika massa endapan AgBr yang terbentuk adalah 0,6964 g, berapa persen massa Br dalam kompleks aslinya?
Titrasi Asam-Basa Studi kuantitatif reaksi netralisasi asam-basa paling mudah dilakukan dengan prosedur yang dikenal sebagai titrasi. Dalam sebuah percobaan titrasi, larutan dengan konsentrasi akurat yang diketahui, disebut larutan standar, ditambahkan secara bertahap ke larutan lain dengan konsentrasi yang tidak diketahui, sampai reaksi kimia antara dua larutan selesai. Jika kita mengetahui volume larutan standar, volume larutan yang tidak diketahui, serta konsentrasi larutan standar yang akan digunakan dalam titrasi, kita dapat menghitung konsentrasi larutan yang tidak diketahui. Natrium hidroksida merupakan salah satu basa yang umum digunakan di laboratorium. Namun, karena sulit untuk mendapatkan padatan natrium hidroksida dalam bentuk murni, larutan natrium hidroksida harus distandarisasi sebelum dapat digunakan dalam pengerjaan analisis yang akurat. Larutan natrium hidroksida dapat distandarisasi dengan mentitrasi larutan tersebut dengan larutan asam dengan konsentrasi yang diketahui secara akurat. Asam sering digunakan adalah asam monoprotik yang disebut kalium hidrogen ftalat (KHP), dengan rumus molekul
K i m i a D a s a r 1 | 144 KHC8H4O4. KHP berupa padatan putih larut yang tersedia secara komersial dalam bentuk yang sangat murni. Reaksi antara KHP dan natrium hidroksida adalah KHC8H4O4(aq) + NaOH(aq) → KNaC8H4O4(aq) + H2O(l) Persamaan ion bersih HC8H4O4–(aq) + OH–(aq) → C8H4O42 (aq) + H2O(l) Prosedur untuk titrasi ditunjukkan pada Gambar 4.18. Pertama, KHP dengan jumlah yang diketahui dimasukkan ke labu Erlenmeyer dan ditambah air suling untuk membuat larutan. Selanjutnya, larutan NaOH dengan hati-hati ditambahkan ke dalam larutan KHP dari buret hingga tercapai titik ekivalen, yaitu titik dimana asam telah sepenuhnya bereaksi atau telah dinetralisir oleh basa. Titik ekivalen biasanya ditandai dengan perubahan tajam warna indikator dalam larutan asam. Dalam titrasi asam-basa, indikator adalah zat yang memiliki warna khas yang berbeda dalam media asam dan basa. Salah satu indikator yang umum digunakan adalah fenolftalein, yang tidak berwarna dalam larutan asam dan netral tetapi merah muda kemerahan dalam larutan basa. Pada titik ekivalen, semua KHP yang ada telah dinetralisir oleh NaOH yang ditambahkan, akan tetapi larutannya tetap tidak berwarna. Namun, jika kita menambahkan lagi satu tetes larutan NaOH dari buret, larutan tersebut akan berubah warna menjadi merah muda karena larutannya basa.
K i m i a D a s a r 1 | 145
Gambar 4.18 (a) Paralatan untuk titrasi asam-basa. Larutan NaOH ditambahkan dari burret ke larutan KHP dalam labu Erlenmeyer. (b) Warna pink kemerahan muncul ketika titik ekivalen tercapai. Warna dalam gambar ini telah dilakukan secara intensif untuk tampilan visual. Contoh 4.9 Dalam sebuah percobaan titrasi, seorang mahasiswa menemukan bahwa 25,46 mL larutan NaOH diperlukan untuk menetralisir 0,6092 g KHP. Berapa konsentrasi (dalam molaritas) larutan NaOH? Strategi: Menentukan molaritas larutan NaOH. Apa definisi molaritas? molaritas NaOH =
mol NaOH
perlu ditemukan
L larutan
akan dihitung
diberikan
Volume NaOH diberikan dalam soal. Oleh karena itu, kita perlu menemukan jumlah mol NaOH untuk menemukan molaritas. Dari persamaan sebelumnya untuk reaksi antara KHP dan NaOH yang ditunjukkan dalam teks, kita melihat bahwa 1 mol KHP menetralkan 1 mol NaOH. Berapa banyak mol KHP yang terkandung dalam 0,6092 g KHP? Penyelesaian: Pertama, kita menghitung jumlah mol KHP yang dipakai dalam titrasi: 1 mol KHP
mol KHP = 0,6092 g KHP × 204,2 g KHP
K i m i a D a s a r 1 | 146 = 2,983 × 10–3 mol KHP Karena 1 mol KHP ∞ 1 mol NaOH, harus ada 2,983 × 10–3 mol NaOH dalam 25,46 mL larutan NaOH. Akhirnya, kita menghitung jumlah mol NaOH dalam 1 L larutan atau molaritas sebagai berikut: molaritan larutan NaOH = 2,983 × 10–3 mol NaOH × 1000 ml larutan 25,46 mL NaOH
L larutan
Latihan: Berapa gram KHP yang diperlukan untuk menetralkan 18,64 mL larutan NaOH 0,1004 M? Reaksi netralisasi antara NaOH dan KHP adalah salah satu reaksi paling sederhana dari reaksi netralisasi asam-basa yang dikenal. Selain KHP, kita juga dapat menggunakan asam diprotik seperti H2SO4 untuk titrasi. Reaksi diwakili oleh 2NaOH(aq) + H2SO4(aq) → Na2SO4(aq) + 2H2O(l) Karena 2 mol NaOH ∞ 1 mol H2SO4, kita perlu NaOH dua kali lebih banyak untuk bereaksi sepenuhnya dengan larutan H2SO4 yang memiliki konsentrasi molar dan volume yang sama dengan asam monoprotik seperti HCl. Di sisi lain, kita perlu dua kali jumlah HCl untuk menetralisir larutan Ba(OH)2 dibandingkan dengan larutan NaOH yang memiliki konsentrasi dan volume yang sama karena 1 mol Ba(OH)2 menghasilkan 2 mol ion OH– : 2HCl(aq) + Ba(OH)2(aq) → BaCl2(aq) + 2H2O(l) Dalam perhitungan yang melibatkan titrasi asam-basa, terlepas dari asam atau basa yang terjadi dalam reaksi, perlu diingat bahwa jumlah total mol ion H+ yang bereaksi pada titik ekivalen harus sama dengan jumlah mol ion OH– yang bereaksi.
Contoh 4.10 Berapa mililiter (mL) larutan NaOH 0,836 M yang diperlukan untuk menetralisir 25,0 mL larutan H2SO4 0,355 M?
K i m i a D a s a r 1 | 147
Strategi: Menghitung volume larutan NaOH. Dari definisi molaritas [lihat rumus (4.1)], kita menulis L larutan =
mol NaOH
perlu ditemukan
molaritas
akan dihitung
diberikan
Dari persamaan untuk reaksi netralisasi yang dituliskan, kita melihat bahwa 1 mol H2SO4 menetralkan 2 mol NaOH. Berapa banyak mol H2SO4 yang terkandung dalam 25,0 mL larutan H2SO4 0,355 M? Berapa banyak mol NaOH yang akan menetralisir H2SO4? Penyelesaian: Pertama, kita menghitung jumlah mol H2SO4 dalam larutan 25,0 mL: mol H2SO4=
0,355 mol H2SO4 1000 ml larutan
× 25,0 ml larutan
= 8,88 × 10–3 mol H2SO4 Dari stoikiometri kita melihat bahwa 1 mol H2SO4 ∞ 2 mol NaOH. Oleh karena itu, jumlah mol NaOH bereaksi harus 2 × 8,88 × 10–3 mol, atau 1,78 × 10–2 mol. Dari definisi molaritas [lihat rumus (4.1)], kita memiliki L larutan =
volume NaOH
mol zat terlarut molaritas
= 1,78 × 10–2 mol 0,836 mol/L larutan = 0,0213 L atau 21,3 ml
Latihan: Berapa mililiter larutan H2SO4 1,28 M diperlukan untuk menetralkan 60,2 mL larutan KOH 0.427 M? Review Konsep Larutan NaOH awalnya dicampur dengan larutan asam ditunjukkan dalam (a). Manakah dari diagram ditunjukkan pada (b) - (d) sesuai dengan salah satu asam berikut: HCl, H2SO4, H3PO4? Kode warna: biru bola (ion OH–), bola merah (molekul asam), bola hijau (anion dari asam). Asumsikan semua reaksi netralisasi asam-basa selesai.
K i m i a D a s a r 1 | 148
Ringkasan 1.
Larutan dapat menghantarkan listrik apabila zat terlarutnya adalah elektrolit. Jika zat terlarutnya adalah nonelektrolit, larutan tidak menghantarkan listrik.
2.
Tiga kategori utama dari reaksi kimia yang terjadi dalam larutan adalah reaksi pengendapan, reaksi asam-basa, dan reaksi oksidasi-reduksi.
3.
Dari aturan umum tentang kelarutan senyawa ionik, kita bisa memprediksi apakah akan terbentuk endapan dalam reaksi.
4.
Asam Arrhenius terionisasi dalam air untuk menghasilkan ion H+, dan Basa Arrhenius terionisasi dalam air untuk menghasilkan ion OH–. Asam Brønsted menyumbangkan proton, dan basa Brønsted menerima proton. Reaksi asam dan basa disebut netralisasi.
5.
Dalam reaksi redoks, oksidasi dan reduksi selalu terjadi secara bersamaan. Oksidasi ditandai dengan hilangnya elektron, reduksi dengan penambahan elektron. Bilangan oksidasi membantu melacak distribusi muatan dan ditempatkan di semua atom dalam suatu senyawa atau ion sesuai aturan spesifik. Oksidasi dapat didefinisikan sebagai peningkatan bilangan oksidasi, reduksi dapat didefinisikan sebagai penurunan bilangan oksidasi.
6.
Konsentrasi suatu larutan merupakan jumlah zat terlarut yang ada dalam sejumlah larutan. Molaritas menunjukkan konsentrasi sebagai jumlah mol zat terlarut dalam 1 L larutan. Menambahkan pelarut dalam larutan, dikenal sebagai pengenceran, mengurangi konsentrasi (molaritas) dari larutan tanpa mengubah jumlah mol zat terlarut yang ada dalam larutan.
7.
Gravimetri adalah teknik untuk menentukan identitas suatu senyawa dan/ atau konsentrasi dari larutan dengan mengukur massa. Percobaan gravimetri sering melibatkan reaksi pengendapan.
K i m i a D a s a r 1 | 149
8.
Dalam titrasi asam-basa, larutan dengan konsentrasi yang diketahui (katakanlah, basa) ditambahkan secara bertahap ke dalam larutan dengan konsentrasi yang tidak diketahui (misalnya, asam) dengan tujuan menentukan konsentrasi larutan yang tidak diketahui. Titik di mana reaksi dalam titrasi telah berakhir disebut titik ekivalen.
Soal-Soal Sifat Larutan 4.1 Definisikan zat terlarut, pelarut, dan larutan dengan menggambarkan proses pelarutan zat padat dalam zat cair. 4.2 Apa perbedaan antara nonelektrolit dan elektrolit? Antara elektrolit lemah dan elektrolit yang kuat? 4.3 Jelaskan hidrasi. Apa sifat air yang memungkinkan molekul untuk berinteraksi dengan ion dalam larutan? 4.4 Apa perbedaan antara simbol berikut dalam persamaan kimia: → dan
?
4.5 Air merupakan elektrolit yang sangat lemah dan karena itu tidak dapat menghantarkan listrik. Mengapa kita sering memperingatkan untuk tidak mengoperasikan peralatan listrik ketika kita tangan basah? 4.6 Lithium fluorida (LiF) adalah elektrolit yang kuat. Apa spesies yang hadir dalam LiF (aq)? 4.7 Larutan dari tiga senyawa yang ditampilkan dalam diagram. Identifikasi setiap senyawa sebagai nonelektrolit, elektrolit lemah, dan elektrolit yang kuat.
4.8 Manakah dari diagram berikut ini yang paling mewakili hidrasi NaCl bila dilarutkan dalam air? Ukuran ion Cl– lebih besar dari ion Na+.
K i m i a D a s a r 1 | 150
4.9 Identifikasi masing-masing zat berikut sebagai elektrolit kuat, elektrolit lemah, atau nonelektrolit: (a) H2O, (b) KCl, (c) HNO3, (d) CH3COOH, (e) C12H22O11. 4.10 Identifikasi masing-masing zat berikut sebagai elektrolit kuat, elektrolit lemah, atau nonelektrolit: (a)Ba (NO3)2, (b) Ne, (c) NH3, (d) NaOH. 4.11 Bagian listrik melalui larutan elektrolit disebabkan oleh pergerakan (a) elektron saja, (b) kation saja, (c) anion saja, (d) baik kation dan anion. 4.12 Prediksi dan jelaskan mana dari sistem berikut yang dapat menghantarkan listrik: (a) NaCl padat, (b) NaCl cair, (c) larutan NaCl. 4.13 Anda diberi larut dalam air senyawa X. Jelaskan bagaimana Anda akan menentukan apakah itu adalah elektrolit atau nonelektrolit. Jika itu adalah elektrolit, bagaimana Anda menentukan apakah itu kuat atau lemah? 4.14 Jelaskan mengapa larutan HCl dalam benzena tidak menghantarkan listrik sedangkan dalam air menghantarkan listrik. Reaksi Pengendapan 4.15 Apa perbedaan antara persamaan ionik dan persamaan molekul? 4.16 Apa keuntungan dari menulis persamaan ion bersih? 4.17 Dua larutan dari AgNO3 dan NaCl dicampur. Manakah dari berikut ini yang paling mewakili diagram campuran? (Ag+ = abu-abu; Cl– = oranye; Na+ = hijau; NO3– = biru) (Untuk mempermudah, molekul air tidak ditampilkan).
K i m i a D a s a r 1 | 151
4.18 Dua larutan dari KOH dan MgCl2 dicampur. Manakah dari diagram berikut ini yang paling mewakili campuran? (K+= ungu; OH– = merah; Mg2+ = biru; Cl–= oranye) (Untuk mempermudah, molekul air tidak ditampilkan.)
4.19 Karakterisasi senyawa berikut dapat larut atau tidak dalam air: (a) Ca3(PO4)2, (b) Mn(OH)2, (c) AgClO3, (d) K2S. 4.20 Karakterisasi senyawa berikut dapat larut atau tidak dalam air: (a) CaCO3, (b) ZnSO4, (c) Hg(NO3)2, (d) HgSO4, (e) NH4ClO4. 4.21 Tulis persamaan ionik dan persamaan ion bersih untuk reaksi berikut:
4.22 Tulis persamaan ionik dan persamaan ion bersih untuk reaksi berikut:
4.23 Manakah dari proses berikut kemungkinan akan menghasilkan reaksi pengendapan? (a) Pencampuran larutan NaNO3 dengan larutan CuSO4. (b) Pencampuran larutan BaCl2 dengan larutan K2SO4. Tuliskan persamaan ionik bersih untuk reaksi pengendapan tersebut. 4.24 Dengan mengacu pada Tabel 4.2, sarankan satu metode yang mungkin memisahkan (a) K+ dari Ag+, (b) Ba2+ dari Pb2+, (c) NH4+ dari Ca2+, (d) Ba2+
K i m i a D a s a r 1 | 152 dari Cu2+. Semua kation diasumsikan dalam larutan, dan anion umum adalah ion nitrat. Reaksi Asam Basa 4.25 Sebutkan sifat-sifat umum dari asam dan basa. 4.26 Berikan definisi Arrhenius definisi Brønsted tentang suatu asam dan basa. Mengapa definisi Brønsted yang lebih berguna dalam menggambarkan sifat asam-basa? 4.27 Berikan contoh asam monoprotik, yang asam diprotik, dan asam triprotik. 4.28 Apa karakteristik dari netralisasi reaksi asam-basa? 4.29 Faktor-faktor apa yang menyebabkan suatu senyawa disebut garam? Tentukan mana dari senyawa berikut yang termasuka garam: CH4, NaF, NaOH, CaO, BaSO4, HNO3, NH3, KBr? 4.30 Identifikasi senyawa berikut sebagai asam atau basa (lemah atau kuat): (a) NH3, (b) H3PO4, (c) LiOH, (d) HCOOH (asam format), (e) H2SO4, (f) HF, (g) Ba(OH)2. 4.31 Identifikasi setiap spesies berikut sebagai Brønsted asam, basa, atau keduanya: (a) HI, (b) CH3COO–, (c) H2PO4–, (d) HSO4–. 4.32 Identifikasi setiap spesies berikut sebagai Brønsted asam, basa, atau keduanya: (a) PO43–, (b) ClO2–, (c) NH4+, (d) HCO3–. 4.33 Setarakan persamaan berikut dan tuliskan persamaan ionik dan persamaan ion bersih yang sesuai (jika sesuai):
4.34 Setarakan persamaan berikut dan tuliskan persamaan ionik dan persamaan ion bersih yang sesuai (jika sesuai):
Reaksi Oksidasi-Reduksi
K i m i a D a s a r 1 | 153
4.35 Definisikan istilah-istilah berikut: setengah reaksi, reaksi oksidasi, reaksi reduksi, agen pereduksi, agen pengoksidasi, reaksi redoks. 4.36 Apakah yang dimaksud dengan bilangan oksidasi? Bagaimana bilangan oksidasi digunakan untuk mengidentifikasi reaksi redoks? Jelaskan mengapa, kecuali untuk senyawa ion, bilangan oksidasi tidak memiliki physical significance. 4.37 (a) Tanpa mengacu pada Gambar 4.10, berikan bilangan oksidasi logam alkali dan alkali tanah dalam senyawanya. (b) Berikan bilangan oksidasi tertinggi yang dapat dimiliki unsur Golongan 3A-7A. 4.38 Apakah mungkin dalam suatu reaksi hanya terjadi oksidasi dan tidak mengalami reduksi? Jelaskan. 4.39 Untuk reaksi redoks lengkap ini, (i) uraikan setiap reaksi menjadi setengah reaksi, (ii) identifikasi agen pengoksidasinya, (iii) identifikasi agen pereduksinya.
4.40 Untuk reaksi redoks lengkap ini, tulis setengah reaksi dan identifikasi agen pengoksidasi dan pereduksinya:
4.41 Susun spesies berikut menurut peningkatan bilangan oksidasi atom belerang: (a) H2S, (b) S8, (c) H2SO4, (d) S2–, (e) HS–, (f) SO2, (g) SO3. 4.42 Fosfor dapat membentuk banyak asam okso. Tunjukkan bilangan oksidasi fosfor dalam masing-masing asam berikut: (a) HPO3, (b) H3PO2, (c) H3PO3, (d) H3PO4, (e) H4P2O7, (f) H5P3O10. 4.43 Berikan bilangan oksidasi atom yang digarisbawahi dalam molekul dan ion berikut: (a) ClF, (b) IF7, (c) CH4, (d) C2H2, (e) C2H4, (f) K2CrO4, (g) K2Cr2O7, (h) KMnO4, (i) NaHCO3, (j) Li2, (k) NaIO3, (l) KO2, (m) PF6– , (n) KAuCl4. 4.44 Berikan bilangan oksidasi untuk spesies berikut: H2, Se8, P4, O, U, As4, B12.
K i m i a D a s a r 1 | 154 4.45 Berikan bilangan oksidasi atom digarisbawahi dalam molekul dan ion berikut: (a) Cs2O, (b) CaI2, (c) Al2O3, (d) H3AsO3, (e) TiO2, (f) MoO42–, (g) PtCl42–, (h) PtCl62–, (i) SnF2, (j) ClF3, (k) SbF6–. 4.46 Berikan bilangan oksidasi atom digarisbawahi dalam molekul dan ion berikut: (a) Mg3N2, (b) CsO2, (c) CaC2, (d) CO32–, (e) C2O42–, (f) ZnO22–, (g) NaBH4, (h) WO42–. 4.47 Asam nitrat merupakan oksidator kuat. Kondisi mana dari spesies berikut ini paling tidak mungkin dihasilkan ketika asam nitrat bereaksi dengan reduktor kuat seperti logam seng, dan jelaskan mengapa: N2O, NO, NO2, N2O4, N2O5, NH4+. 4.48 Manakah dari logam berikut dapat bereaksi dengan air? (a) Au, (b) Li, (c) Hg, (d) Ca, (e) Pt. 4.49 Atas dasar pertimbangan bilangan oksidasi, satu dari oksida berikut tidak akan bereaksi dengan molekul oksigen: NO, N2O, SO2, SO3, P4O6. Oksida yang manakah itu? Mengapa? 4.50 Prediksi hasil dari reaksi yang diwakili oleh persamaan reaksi dengan menggunakan rangkaian aktivitas (activity reaction), dan setarakan persamaannya.
Konsentrasi Larutan 4.51 Tuliskan persamaan untuk menghitung molaritas. Mengapa molaritas sesuai untuk satuan konsentrasi dalam kimia? 4.52 Jelaskan langkah-langkah dalam mempersiapkan larutan dengan konsentrasi molar diketahui menggunakan labu volumetrik. 4.53 Hitung massa KI dalam gram yang dibutuhkan untuk mempersiapkan 5.00 × 102 mL larutan 2,80 M. 4.54 Jelaskan bagaimana Anda akan mempersiapkan 250 mL larutan NaNO3 0,707 M. 4.55 Berapa banyak mol MgCl2 yang ada dalam 60,0 mL larutan MgCl2 0.100 M?
K i m i a D a s a r 1 | 155
4.56 Berapa gram KOH yang ada dalam 35,0 mL larutan 5,50 M? 4.57 Hitunglah molaritas dari masing-masing larutan berikut: (a) 29,0 g etanol (C2H5OH) dalam 545 mL larutan, (b) 15,4 g sukrosa (C12H22O11) dalam 74,0 mL larutan, (c) 9.00 g natrium klorida (NaCl) dalam 86,4 mL larutan. 4.58 Hitunglah molaritas dari masing-masing solusi berikut: (a) 6,57 g metanol (CH3OH) dalam 1,50 × 102 mL larutan, (b) 10,4 g kalsium klorida (CaCl2) dalam 2,20 × 102 mL larutan, (c) 7,82 g naftalena (C10H8) dalam 85,2 mL larutan benzena. 4.59 Hitung volume dalam mL larutan yang dibutuhkan untuk menyediakan: (a) 2,14 g natrium klorida dari larutan 0.270 M, (b) 4,30 g etanol dari larutan 1,50 M, (c) 0,85 g asam asetat (CH3COOH) dari larutan 0,30 M. 4.60 Tentukan berapa gram masing-masing zat terlarut berikut akan diperlukan untuk membuat 2,50 × 102 mL 0.100 M larutan: (a) cesium iodida (CsI), (b) asam sulfat (H2SO4), (c) natrium karbonat (Na2CO3), (d) kalium dikromat (K2Cr2O7), (e) kalium permanganat (KMnO4). Pengenceran Larutan 4.61 Jelaskan langkah-langkah dalam mengencerkan larutan dengan konsentrasi diketahui. 4.62 Tuliskan persamaan yang memungkinkan kita untuk menghitung konsentrasi larutan yang diencerkan. Berikan satuan untuk semua istilah. 4.63 Jelaskan bagaimana mempersiapkan 1,00 L larutan HCl 0,646 M, dimulai dengan larutan 2,00 M HCl. 4.64 Air ditambahkan ke 25,0 mL larutan KNO3 0,866 M sampai volume larutan tepat 500 mL. Berapa konsentrasi akhir larutan? 4.65 Bagaimana Anda mempersiapkan 60,0 mL larutan HNO3 0,200 M dari larutan stok HNO3 4,00 M? 4.66 Anda memiliki 505 mL larutan HCl 0,125 M dan Anda ingin mencairkan ke 0,100 M. Berapa banyak air harus Anda tambahkan? Asumsikan volume bersifat tambahan. 4.67 35,2 mL larutan KMnO4 1,66 M dicampur dengan 16,7 mL larutan KMnO4 0.892 M. Hitung konsentrasi larutan akhir.
K i m i a D a s a r 1 | 156 4.68 46.2 mL larutan kalsium nitrat [Ca(NO3)2]0.568 M dicampur dengan 80,5 mL larutan kalsium nitrat 1,396 M. Hitung konsentrasi akhir larutan. Analisis Gravimetri 4.69 Jelaskan langkah-langkah dasar dalam analisis gravimetri. Bagaimana prosedur ini membantu kita menentukan identitas suatu senyawa atau kemurnian suatu senyawa jika rumus senyawanya diketahui? 4.70 Air suling harus digunakan dalam analisis gravimetri klorida. Mengapa? 4.71 Jika 30,0 mL CaCl2 0,150 M ditambahkan ke 15,0 mL AgNO3 0.100 M, berapa gram massa endapan AgCl? 4.72 Sebuah sampel dari 0,6760 g senyawa yang tidak diketahui mengandung ion barium (Ba2+) dilarutkan dalam air dan diperlakukan dengan Na2SO4 berlebih. Jika massa endapan BaSO4 yang terbentuk adalah 0,4105 g, berapa persen massa dari Ba dalam senyawa awal yang diketahui? 4.73 Berapa gram NaCl yang diperlukan untuk mengendapkan sebagian besar ion Ag+ dari 2,50 × 102 mL larutan AgNO3 0,0113 M? Tuliskan persamaan ion bersih untuk reaksi tersebut. 4.74 Konsentrasi ion Cu2+ dalam air (yang juga mengandung ion sulfat) diambil dari suatu pabrik industri ditentukan dengan menambahkan larutan natrium sulfida (Na2S) berlebih untuk 0,800 L dari air. Persamaan molekul Na2S(aq) + CuSO4(aq) → Na2SO4(aq) + CuS(s) Tuliskan persamaan ion bersih dan hitung konsentrasi molar Cu2+ dalam sampel air jika 0,0177 g CuS padat terbentuk. Titrasi Asam Basa 4.75 Jelaskan langkah-langkah dasar dalam titrasi asam basa. Mengapa teknik ini dinilai praktis? 4.76 Bagaimana indikator asam basa bekerja? 4.77 18,68 mL larutan KOH yang diperlukan untuk menetralkan 0,4218 g KHP. Berapa konsentrasi (dalam molaritas) larutan KOH? 4.78 Hitunglah konsentrasi (dalam molaritas) dari larutan NaOH jika 25,0 mL larutan tersebut diperlukan untuk menetralkan 17,4 mL larutan HCl 0,312 M. 4.79 Hitung volume dalam mL larutan NaOH 1.420 M yang dibutuhkan untuk titrasi larutan berikut:
K i m i a D a s a r 1 | 157
(a) 25,00 mL larutan HCl 2,430 M (b) 25,00 mL larutan 4.500 M H2SO4 (c) 25,00 mL larutan 1.500 M H3PO4 4.80 Berapa volume larutan HCl 0,500 M yang diperlukan untuk menetralisir masing-masing sebagai berikut: (a) 10,0 mL larutan NaOH 0,300 M (b) 10,0 mL larutan Ba(OH)2 0,200 M Soal-Soal Tambahan 4.81 Klasifikasikan reaksi berikut sesuai dengan jenis reaksi yang dibahas dalam bab ini: (a) Cl2 + 2OH– → Cl– + ClO– + H2O (b) Ca2+ + CO32– → CaCO3 (c) NH3 + H+ → NH4+ (d) 2CCl4 + CrO42– → 2COCl2 + CrO2Cl2 + 2Cl– (e) Ca + F2 → CaF2 (f) 2Li + H2 → 2LiH (g) Ba(NO3)2 + Na2SO4 → 2NaNO3 + BaSO4 (h) CuO + H2 → Cu + H2O (i) Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2 (j) 2FeCl2 + Cl2 → 2FeCl3 4.82 Menggunakan peralatan yang ditunjukkan pada Gambar 4.1, mahasiswa menemukan bahwa bola lampu itu menyala terang saat elektroda direndam dalam larutan asam sulfat. Namun, setelah penambahan sejumlah larutan barium hidroksida [Ba(OH)2], cahaya mulai untuk meredup meskipun Ba(OH)2 juga merupakan elektrolit kuat. Jelaskan. 4.83 Seseorang memberi Anda cairan berwarna. Jelaskan tiga tes kimia yang akan Anda lakukan pada cairan yang menunjukkan bahwa cairan itu adalah air. 4.84 Anda diberi dua larutan tidak berwarna, satu berisi NaCl dan lainnya berisi sukrosa (C12H22O11). Sarankan tes kimia dan tes fisik yang dapat membedakan kedua larutan. 4.85 Klorin (Cl2) digunakan untuk memurnikan air minum. Terlalu banyak klorin berbahaya bagi manusia. Kelebihan klorin sering dihapus oleh pengobatan
K i m i a D a s a r 1 | 158 dengan sulfur dioksida (SO2). Setarakan persamaan reaksi yang terjadi dalam prosedur ini: Cl2 + SO2 + H2O → Cl2 + SO42– + H+ 4.86 Sebelum aluminium diperoleh dengan reduksi listrik dari bijih (Al2O3), logam aluminium diproduksi dengan reduksi kimia AlCl3. Logam apa yang akan Anda gunakan untuk mereduksi Al3+ menjadi Al? 4.87 Oksigen (O2) dan karbon dioksida (CO2) adalah gas yang tidak berwarna dan tidak berbau. Sarankan dua tes kimia yang memungkinkan Anda untuk membedakan kedua gas tersebut. 4.88 Berdasarkan bilangan oksidasi, jelaskan mengapa karbon monoksida (CO) mudah terbakar tetapi karbon dioksida (CO2) tidak. 4.89 Manakah dari larutan berikut yang menurut Anda dapat menjadi konduktor listrik terbaik pada 25 ° C? Jelaskan jawaban Anda. (a) 0,20 M NaCl (b) 0,60 M CH3COOH (c) 0,25 M HCl (d) 0,20 M Mg(NO3)2 4.90 5,00 × 102 mL sampel larutan HCl 2,00 M adalah diperlakukan dengan 4,47 g magnesium. Hitung konsentrasi larutan asam setelah semua logam telah bereaksi. Asumsikan bahwa volume tetap tidak berubah. 4.91 Hitung volume (dalam liter) dari larutan CuSO4 0,156 M yang akan bereaksi dengan 7,89 g seng. 4.92 Natrium karbonat (Na2CO3) dapat diperoleh dalam bentuk sangat murni dan dapat digunakan untuk standarisasi larutan asam. Berapa molaritas larutan HCl jika 28,3 mL larutan diperlukan untuk bereaksi dengan 0,256 g Na2CO3? 4.93 3,664 g sampel dari asam monoprotik dilarutkan dalam air dan diperlukan 20,27 mL larutan NaOH 0,1578 M untuk netralisasi. Hitung massa molar asam. 4.94 Asam asetat (CH3COOH) adalah unsur penting cuka. Sebuah sampel dari 50,0 mL cuka komersial dititrasi terhadap larutan NaOH 1,00 M. Berapa konsentrasi (dalam M) dari asam asetat yang ada dalam cuka jika 5,75 mL basa diperlukan untuk titrasi? 4.95 Hitung massa endapan yang terbentuk ketika 2,27 L Ba(OH)2 0,0820 M dicampur dengan 3,06 L Na2SO4 0,0664 M.
K i m i a D a s a r 1 | 159
4.96 Susu magnesia adalah suspensi larutan magnesium hidroksida [Mg(OH)2] yang digunakan untuk mengobati gangguan pencernaan asam. Hitung volume larutan HCl 0,035 M (konsentrasi asam yang khas dalam perut) diperlukan untuk bereaksi dengan dua sendok susu magnesia [sekitar 10,0 mL pada 0,080 g Mg(OH)2/mL]. 4.97 1,00 g sampel logam X (yang dikenal untuk membentuk Ion X2+) ditambahkan ke 0,100 L larutan H2SO4 0,500 M. Setelah semua logam bereaksi, diperlukan asam sisa untuk netralisasi 0,0334 L larutan NaOH 0,500 M. Hitung massa molar dari logam dan identifikasi unsur tersebut. 4.98 60.0 mL larutan glukosa (C6H12O6) 0,513 M dicampur dengan 120,0 mL larutan glukosa 2,33 M. Berapa konsentrasi akhir larutan? Asumsikan volume bersifat tambahan. 4.99 Anda diberi senyawa larut yang tidak diketahui rumus molekulnya. (a) Jelaskan tiga tes yang akan lakukan untuk menunjukkan bahwa senyawa tersebut adalah asam. (b) Setelah Anda telah menetapkan bahwa senyawa tersebut adalah asam, gambarkan bagaimana Anda akan menentukan massa molar dengan menggunakan suatu larutan NaOH dengan konsentrasi diketahui. (Asumsikan asam adalah asam monoprotik.) (c) Bagaimana Anda menemukan apakah asam tersebut lemah atau kuat? Disediakan sampel NaCl dan sebuah alat seperti ditunjukkan pada Gambar 4.1 untuk perbandingan. 4.100 Seseorang menumpahkan asam sulfat pekat pada lantai laboratorium kimia. Untuk menetralisir asam tersebut, cara mana yang lebih baik? Menuangkan natrium hidroksida pekat atau menyemprotkan padatan natrium bikarbonat pada asam? Jelaskan pilihan Anda. 4.101 Berikut adalah senyawa rumah tangga biasa: garam meja (NaCl), gula meja (sukrosa), cuka (mengandung asam asetat), baking soda (NaHCO3), soda cuci (Na2CO3.10H2O), asam borat (H3BO3, yang digunakan dalam obat cuci mata), garam epsom (MgSO4.7H2O), natrium hidroksida (digunakan dalam pembuka pipa saluran), amonia, susu magnesium [Mg(OH)2], dan kalsium karbonat. Berdasarkan pada apa yang Anda telah pelajari dalam bab ini, gambarkan tes yang memungkinkan Anda untuk mengidentifikasi masing-masing senyawa.
K i m i a D a s a r 1 | 160 4.102 0,8870 g sampel dari campuran NaCl dan KCl dilarutkan dalam air, dan larutan ini kemudian direaksikan dengan AgNO3 berlebih untuk menghasilkan 1,913 g AgCl. Hitung persen massa dari masing-masing senyawa dalam campuran. 4.103 Asam fosfat (H3PO4) merupakan industri kimia yang penting yang digunakan dalam industri pupuk, deterjen, dan makanan. Asam fosfat ini dihasilkan dengan dua metode yang berbeda. Dalam metode tungku listrik (electric furnace method), fosfor (P4) dibakar di udara untuk membentuk P4O10, yang kemudian bereaksi dengan air untuk menghasilkan H3PO4. Dalam proses basah (wet process), mineral fosfat alam [Ca5(PO4)3F] direaksikan dengan asam sulfat untuk menghasilkan H3PO4 (dan HF dan CaSO4). Tulis persamaan reaksi untuk proses ini dan klasifikasikan setiap langkah sebagai reaksi pengendapan, reaksi asam-basa, atau reaksi redoks. 4.104 Berikan penjelasan kimia untuk masing-masing: (a) Ketika logam kalsium ditambahkan ke dalam larutan asam sulfat, dihasilkan gas hidrogen. Setelah beberapa menit, reaksi melambat dan akhirnya berhenti meskipun tidak ada reaktan. Jelaskan. (b) Dalam rangkaian aktivitas (activity series) aluminium terletak di atas hidrogen, namun logam ini tampaknya tidak reaktif terhadap uap dan asam klorida. Mengapa? (c) Dalam rangkaian aktivitas (activity series) natrium dan kalium terletak diatas tembaga. Jelaskan mengapa ion Cu2+ dalam larutan CuSO4 tidak dikonversi menjadi logam tembaga pada penambahan logam ini. (d) logam M bereaksi perlahan dengan uap. Tidak ada perubahan yang terlihat ketika logam diletakkan dalam larutan hijau pucat besi(II) sulfat. Dimana kita harus menempatkan M dalam rangkaian aktivitas (activity series)? 4.105 Sejumlah logam terlibat dalam reaksi redoks dalam sistem biologi dimana terjadi perubahan keadaan oksidasi logam. Manakah dari logam berikut yang paling mungkin untuk mengambil bagian dalam reaksi ini: Na, K, Mg, Ca, Mn, Fe, Co, Cu, Zn? Jelaskan. 4.106 Prosedur yang direkomendasikan untuk mempersiapkan larutan yang sangat encer bukan dengan menimbang massa yang sangat kecil atau mengukur volume yang sangat kecil dari larutan stok. Sebaliknya, hal itu dilakukan dengan pengenceran. 0,8214 g sampel KMnO4 dilarutkan dalam air sampai dengan volume 500 mL dalam labu volumetrik. 2,000 mL sampel dari larutan ini dipindahkan ke labu volumetrik 1000 mL dan diencerkan sampai dengan air.
K i m i a D a s a r 1 | 161
Selanjutnya, 10,00 mL larutan encer dipindahkan ke labu 250 mL dan diencerkan dengan air. (a) Hitung konsentrasi (dalam molaritas) dari larutan akhir. (b) Hitung massa KMnO4 yang diperlukan untuk langsung mempersiapkan larutan akhir. 4.107 325-mL sampel larutan mengandung 25,3 g CaCl2. (a) Hitung konsentrasi molar Cl– dalam larutan ini. (b) Berapa gram Cl– dalam 0,100 L larutan ini? 4.108 Asam asetilsalisilat (C9H8O4) adalah asam monoprotik yang umumnya dikenal sebagai "aspirin." Sebuah tablet aspirin biasa hanya mengandung sejumlah kecil asam. Dalam suatu eksperimen untuk menentukan komposisinya, tablet aspirin dihancurkan dan dilarutkan dalam air. Butuh 12.25 mL NaOH 0,1466 M untuk menetralkan larutan. Hitung jumlah butir aspirin dalam tablet. (Satu butir = 0,0648 g.) 4.109 Percobaan "siklus tembaga" ini dilakukan di beberapa laboratorium kimia umum. Rangkaian reaksi dimulai dengan tembaga dan berakhir dengan logam tembaga. Langkah-langkahnya adalah: (1) Sepotong kawat tembaga dengan massa yang diketahui direaksikan dengan asam nitrat pekat [produk adalah tembaga(II) nitrat, nitrogen dioksida, dan air]. (2) Tembaga(II) nitrat direaksikan dengan larutan natrium hidroksida untuk membentuk endapan tembaga(II) hidroksida. (3) Pada pemanasan, tembaga(II) hidroksida terurai menghasilkan tembaga(II) oksida. (4) Tembaga(II) oksida bereaksi dengan asam sulfat pekat untuk menghasilkan tembaga(II) sulfat. (5) Tembaga(II) sulfat direaksikan dengan logam seng berlebih untuk membentuk logam tembaga. (6) Sisa logam dihilangkan dengan mereaksikannya dengan asam klorida, dan logam tembaga kemudian disaring, dikeringkan, dan ditimbang. (a) Tulis persamaan yang setara untuk setiap langkah dan klasifikasikan reaksinya. (b) Dengan asumsi bahwa seorang siswa memulai dengan 65,6 g tembaga, hitung massa teoritis yang dihasilkan dalam setiap langkah. (c) Mengingat sifat dari langkah-langkah, jelaskan mengapa mungkin untuk mengembalikan massa dari tembaga yang digunakan di awal. 4.110 Amonium nitrat (NH4NO3) merupakan salah satu nitrogen yang paling penting ada dalam pupuk. Kemurniannya bisa dianalisis dengan mentitrasi larutan NH4NO3 dengan larutan standar NaOH. Dalam satu eksperimen 0,2041 g sampel NH4NO3 industri yang disiapkan memerlukan 24,42 mL NaOH 0,1023
K i m i a D a s a r 1 | 162 M untuk netralisasi. (a) Tulis persamaan ion bersih untuk reaksi. (b) Berapa persen kemurnian dari sampel? 4.111 Hidrogen halida (HF, HCl, HBr, HI) merupakan senyawa yang sangat reaktif dan banyak digunakan dalam industri dan laboratorium. (a) Dalam laboratorium, HF dan HCl dapat dihasilkan dengan mereaksikan CaF2 dan NaCl dengan asam sulfat pekat. Tulis persamaan yang sesuai untuk reaksi. (Petunjuk: Ini bukan reaksi redoks.) (b) Mengapa HBr dan HI tidak bisa dibuat dengan cara yang sama, yaitu dengan mereaksikan NaBr dan NaI dengan asam sulfat pekat? (Petunjuk: H2SO4 adalah agen pengoksidasi yang lebih kuat dari Br2 dan I2.) (c) HBr dapat dibuat dengan mereaksikan fosfor tribromida (PBr3) dengan air. Tulis persamaan untuk reaksi ini. 4.112 Mengacu pada Gambar 4.14, jelaskan mengapa seseorang harus melarutkan semua zat padat sebelum membuat larutan dengan volume yang benar. Soal-Soal Khusus 4.113 Magnesium adalah logam yang ringan. Magnesium digunakan sebagai logam struktural dalam paduan (alloy), dalam baterai, dan dalam sintesis kimia. Meskipun magnesium berlimpah di kerak bumi, lebih murah untuk "menambang" logam mgnesium dari air laut. Jumlah kation magnesium adalah jumlah kation terbanyak kedua di laut (setelah natrium), ada sekitar 1,3 g magnesium dalam 1 kg air laut. Metode untuk mendapatkan magnesium dari air laut menggunakan ketiga jenis reaksi yang dibahas dalam bab ini: reaksi pengendapan, reaksi asam-basa, dan reaksi redoks. Pada tahap pertama dalam pembuatan magnesium, batu kapur (CaCO3) dipanaskan pada suhu tinggi untuk menghasilkan kapur tohor, atau kalsium oksida (CaO): CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) Bila kalsium oksida direaksikan dengan air laut, membentuk kalsium hidroksida [Ca(OH)2], yang sedikit larut dan terionisasi menjadi ion Ca2+ dan ion OH–: CaO(s) + H2O(l) → Ca2+(aq) + 2OH–(aq) Kelebihan ion hidroksida ini menyebabkan sedikit magnesium hidroksida yang mengendap, untuk mengendapkan: Mg2+(aq) + 2OH–(aq) → Mg(OH)2(s)
K i m i a D a s a r 1 | 163
magnesium hidroksida padat disaring dan bereaksi dengan asam klorida untuk membentuk magnesium klorida (MgCl2): Mg(OH)2(s) + 2HCl(aq) → MgCl2(aq) + 2H2O(l) Setelah air menguap, magnesium klorisda padat dilebur dalam sel baja. Magnesium
klorida cair mengandung ion Mg2+ dan Cl–. Dalam proses yang disebut
elektrolisis,
arus listrik melewati sel untuk mereduksi ion Mg2+ dan mengoksidasi ion
Cl–.
Setengah-reaksi: Mg2+ + 2e– → Mg 2Cl– → Cl2 + 2e– Reaksi keseluruhan MgCl2(l) → Mg(s) + Cl2(g) Cara ini adalah bagaimana logam magnesium diproduksi. Gas klorin yang
dihasilkan
dapat dikonversi ke asam klorida asam dan melaui proses daur ulang.
(a) Identifikasi reaksi pengendapan, reaksi asam-basa, dan reaksi redoks dalam proses tersebut. (b) Sebagai ganti kalsium oksida, kenapa tidak kita tambahkan natrium hidroksida untuk mengendapkan magnesium hidroksida? (c) Kadang-kadang mineral yang disebut dolomit (kombinasi dari CaCO3 dan MgCO3) digantikan dengan kapur (CaCO3) untuk menghasilkan endapan magnesium hidroksida. Apa keuntungan menggunakan dolomit? (d) Apa keuntungan dari pertambangan magnesium dari laut dan bukan dari kerak bumi?
K i m i a D a s a r 1 | 164
Magnesium hidroksida diendapkan dari oalahan air laut olahan di kolam penampungan The Dow
Chemical Company pernah dioperasikan.
4.114 5,012 g sampel dari hidrat besi klorida dikeringkan dalam oven. Massa senyawa anhidrat adalah 3,195 g. Senyawa ini dilarutkan dalam air dan bereaksi dengan AgNO3 berlebih. Endapan AgCl yang terbentuk ditimbang 7,225 g. Apa rumus senyawa aslinya? 4.115 22,02 mL larutan mengandung 1.615 g Mg(NO3)2 dicampur dengan 28.64 mL larutan yang mengandung 1,073 g NaOH. Hitung konsentrasi ion yang tersisa dalam larutan setelah reaksi selesai. Asumsikan volume bersifat tambahan.
K i m i a D a s a r 1 | 165
BAB 5. GAS DESKRIPSI Sifat Gas Gas memiliki volume dan bentuk sesuai dengan wadahnya; dapat dengan mudah ditekan/dimampatkan, bercampur dengan segera dan merata; dan memiliki kerapatan yang jauh lebih rendah daripada cairan dan padatan. Tekanan Gas Tekanan adalah salah satu sifat gas yang paling mudah diukur. Barometer mengukur tekanan atmosfer dan manometer mengukur tekanan gas di laboratorium. Hukum Gas Selama bertahun-tahun, sejumlah hukum telah dikembangkan untuk menjelaskan perilaku fisik gas. Hukum-hukum ini menunjukkan hubungan antara tekanan, temperatur, volume, dan jumlah gas. Persamaan Gas Ideal Molekul-molekul gas ideal tidak memiliki volume dan tidak saling mendesak satu sama lain. Pada tekanan rendah dan temperatur tinggi, sebagian besar gas dapat diasumsikan berperilaku dengan ideal; perilaku fisiknya digambarkan dengan persamaan gas ideal. Teori Kinetik Molekul Gas Sifat makroskopik seperti tekanan dan temperatur gas dapat dihubungkan dengan gerak kinetik molekul. Teori kinetik molekul gas mengasumsikan bahwa molekul gas bersifat ideal, jumlah molekul sangat besar, dan gerakannya benar-benar acak. Difusi (perambatan) gas dan efusi (penyebaran) gas menunjukkan gerak molekuler acak dan diatur oleh hukum matematika yang sama. Perilaku nonideal Gas Untuk menjelaskan perilaku gas nyata, persamaan gas ideal dimodifikasi dengan menyertakan volume tertentu molekul dan gaya tarik menarik di antara gas-gas. Kompetensi Memahami sifat-sifat gas yang memiliki volume dan bentuk sesuai dengan wadahnya; dapat dengan mudah ditekan/dimampatkan, bercampur dengan segera dan merata; dan memiliki kerapatan yang jauh lebih rendah daripada cairan dan padatan. Memahami tekanan gas sebagai salah satu sifat gas yang paling mudah diukur, dengan menggunakan barometer dan manometer. Memahami hukum-hukum gas yang menunjukkan hubungan antara tekanan, temperatur, volume, dan jumlah gas. Memahami persamaan gas ideal yang pada tekanan rendah dan temperatur tinggi. Memahami teori kinetik molekul gas yang mengasumsikan bahwa molekul gas bersifat ideal, jumlah molekul sangat besar, dan gerakannya benar-benar acak. Memahami perilaku nonideal gas dengan melakukan modifikasi persamaan gas ideal yang menyertakan volume tertentu molekul dan gaya tarik menarik di antara gas-gas.
K i m i a D a s a r 1 | 166
Tujuan Memahami sifat-sifat gas. Memahami tekanan gas. Memahami hukum-hukum gas. Memahami persamaan gas ideal. Memahami teori kinetik molekular. Memahami perilaku nonideal gas. 5.1 Zat-zat yang Berwujud Gas Kita hidup di dasar lautan udara yang memiliki komposisi volume dengan kira-kira 78 persen N2, 21 persen O2, dan 1 persen gas-gas lainnya, termasuk CO2. Pada tahun 1990an, kimia tentang campuran gas-gas penting ini menjadi perhatian besar, disebabkan oleh efek merugikan dari pencemaran lingkungan. Di sini secara umum kita akan fokus pada perilaku zat-zat yang berwujud gas di bawah kondisi atmosfer normal, yang didefinisikan pada temperatur 25°C dan tekanan 1 atmosfer (atm) (lihat Bagian 5.2). Hanya 11 unsur yang berwujud gas dalam kondisi atmosfer normal. Tabel 5.1 memuat daftar tentang hal tersebut, serta sejumlah senyawa gasnya. Perhatikan bahwa unsur hidrogen, nitrogen, oksigen, fluor, dan klor berwujud molekul gas diatomik. Bentuk lain dari oksigen adalah ozon (O3), yang juga berwujud gas pada temperatur kamar. Semua unsur Golongan 18 (VIIIA), gas mulia, merupakan gas monoatomik: He, Ne, Ar, Kr, Xe, dan Rn. Dari gas-gas yang tercantum dalam Tabel 5.1, hanya O2 yang sangat penting untuk kelangsungan hidup kita. Hidrogen sianida (HCN) merupakan racun mematikan. Karbon monoksida (CO), hidrogen sulfida (H2S), nitrogen dioksida (NO2), O3, dan sulfur dioksida (SO2) agak kurang beracun. Gas He dan Ne secara kimiawi bersifat inert; yaitu, tidak bereaksi dengan zat lain. Kebanyakan gas tidak berwarna. Kecuali F2, Cl2, dan NO2. Warna cokelat gelap NO2 kadang-kadang terlihat dalam udara yang tercemar. Semua gas memiliki karakteristik fisik berikut: Gas memiliki volume dan bentuk sesuai wadahnya. Gas merupakan wujud materi yang paling mudah dimampatkan/ditekan. Gas akan segera bercampur merata dan sempurna jika ditempatkan dalam wadah yang sama. Gas memiliki kerapatan yang jauh lebih rendah daripada cairan dan padatan.
K i m i a D a s a r 1 | 167
Gas NO2
Tabel 5.1 Beberapa Zat yang Berwujud Gas pada 1 atm dan 25C Unsur
Senyawa
H2 (molekul hidrogen)
HF (hidrogen florida)
N2 (molekul nitrogen)
HCl (hidrogen klorida)
O2 (molekul oksigen)
HBr (hidrogen bromida)
O3 (ozon)
HI (hidrogen iodida)
F2 (molekul florin)
CO (karbon monoksida)
Cl2 (molekul klorin)
CO2 (karbon dioksida)
He (helium)
NH3 (amoniak)
Ne (neon)
NO (nitrit oksida)
Ar (argon)
NO2 (nitrogen dioksida)
Kr (kripton)
N2O (dinitrogen oksida)
Xe (xenon)
SO2 (sulfur dioksida)
Rn (radon)
H2S (hidrogen sulfida) HCN (hidrogen sianida)*
* Titik didih HCN adalah 26C, yang mendekati untuk mengkualifikasinya sebagai gas pada kondisi atmosfer
5.1 Tekanan Gas Gas mengerahkan tekanan pada setiap permukaan yang bersentuhan dengannya, karena molekul gas terus bergerak. Kita manusia secara fisiologis telah beradaptasi dengan baik terhadap tekanan udara di sekitar kita yang biasanya tidak kita sadari, mungkin seperti ikan yang tidak sadar terhadap tekanan air pada dirinya. Sangat mudah untuk menunjukkan tekanan atmosfer. Salah satu contoh dalam kehidupan sehari-hari adalah kemampuan untuk minum cairan melalui sedotan. Udara yang terhisap mengurangi tekanan di dalam sedotan. Tekanan atmosfer yang lebih besar pada cairan akan mendorong cairan untuk menggantikan udara yang telah tersedot keluar. Satuan Tekanan menurut SI Tekanan adalah salah satu sifat gas yang paling mudah terukur. Untuk memahami bagaimana kita mengukur tekanan gas, akan sangat membantu untuk mengetahui
K i m i a D a s a r 1 | 168 bagaimana satuan pengukuran ini diturunkan. Kita mulai dengan kecepatan dan percepatan. Kecepatan didefinisikan sebagai perubahan jarak per satuan waktu; yaitu, kecepatan =
perubahan jarak waktu
Satuan SI untuk kecepatan adalah m/s, meskipun kita juga menggunakan cm/s. Percepatan adalah perubahan kecepatan per satuan waktu, atau percepatan =
perubahan kecepatan waktu
Percepatan diukur dalam m/s2 (atau cm/s2). Hukum kedua gerak, dirumuskan oleh Sir Isaac Newton pada akhir abad ketujuh belas, mendefinisikan istilah lain, darimana satuan tekanan diturunkan, yaitu gaya; Menurut hukum ini, gaya = massa × percepatan Dalam konteks ini, satuan SI untuk gaya adalah newton (N), di mana 1 N = 1 kg m/s2 Akhirnya, kita mendefinisikan tekanan sebagai gaya yang dikenakan per satuan luas: tekanan =
gaya luas
Satuan SI dari tekanan adalah pascal (Pa), didefinisikan sebagai satu newton per meter persegi: 1 Pa = 1 N/m2 Tekanan Atmosfer Atom-atom dan molekul-molekul gas dalam atmosfer, seperti semua materi lainnya, dipengaruhi oleh tarikan gravitasi Bumi. Akibatnya, atmosfer jauh lebih rapat di dekat permukaan bumi dibandingkan dengan daerah yang memiliki ketinggian jauh di atas permukaan bumi. (Udara luar di kabin dari sebuah pesawat bertekanan 9 km terlalu tipis untuk dihirup.) Bahkan, kerapatan udara menurun sangat cepat dengan meningkatnya jarak dari Bumi. Pengukuran menunjukkan bahwa sekitar 50 persen atmosfer menempati daerah hingga ketinggian 6,4 km dari permukaan bumi, 90 persen menempati hingga 16 km, dan 99 persen menempati hingga 32 km. Tidak mengherankan, semakin rapat udara, semakin besar tekanan yang diberikannya. Gaya yang dialami oleh area yang terkena atmosfer bumi sama dengan berat kolom udara di atasnya. Tekanan atmosfer adalah tekanan yang diberikan oleh atmosfer bumi
K i m i a D a s a r 1 | 169
(Gambar 5.1). Nilai aktual dari tekanan atmosfer tergantung pada lokasi, temperatur, dan kondisi cuaca.
Kolom Udara
Gambar 5.1 Sebuah kolom udara membentang dari permukaan laut ke atas atmosfer.
Apakah tekanan atmosfer hanya bertindak ke bawah, seperti yang mungkin Anda simpulkan dari definisinya? Bayangkan apa yang akan terjadi kemudian, jika Anda memegang erat selembar kertas dengan kedua tangan di atas kepala Anda. Anda mungkin berharap kertas menekuk karena tekanan udara yang bekerja padanya, tapi ini tidak terjadi. Alasannya adalah bahwa udara, seperti air, adalah fluida. Tekanan yang diberikan pada objek fluida datang dari segala penjuru-bawah dan ke atas, serta dari kiri dan dari kanan. Pada tingkat molekuler, tekanan udara dihasilkan dari tumbukan antara molekul-molekul udara dan setiap permukaan apapun yang bersentuhan dengannya. Besarnya tekanan tergantung pada seberapa sering dan seberapa kuat molekul menabrak permukaan. Ternyata molekul yang menabrak kertas dari atas sama dengan yang dari bawah, sehingga kertas tetap datar. Bagaimana tekanan atmosfer diukur? Barometer adalah instrumen yang mungkin paling familier untuk mengukur tekanan atmosfer. Barometer sederhana terdiri dari sebuah tabung kaca panjang, ditutup pada salah satu ujungnya dan diisi dengan merkuri. Jika tabung dengan hati-hati dibalik dalam wadah merkuri sehingga tidak ada udara yang masuk tabung, beberapa merkuri akan mengalir keluar dari tabung ke dalam piringan, menciptakan kekosongan di bagian atas (Gambar 5.2). Berat dari merkuri yang tersisa di dalam tabung didukung oleh tekanan atmosfer bekerja pada permukaan air raksa dalam piringan. Tekanan atmosfer standar (1 atm) sama dengan tekanan yang mendukung kolom merkuri tepatnya setinggi 760 mm (atau 76 cm) pada 0°C di atas permukaan laut. Dengan kata lain, atmosfer standar sama dengan tekanan 760 mmHg, di mana mmHg merupakan tekanan yang diberikan oleh kolom air raksa setinggi 1 mm. Satuan mmHg juga disebut torr, setelah ilmuwan Italia Evangelista Torricelli, yang menemukan barometer. Maka, 1 torr = 1 mmHg dan 1 atm = 760 mmHg (tepat) = 760 torr Hubungan antara atmosfer dan pascal adalah
K i m i a D a s a r 1 | 170 1 atm = 101.325 Pa = 1,01325 × 105 Pa dan karena 1000 Pa = 1kPa (kilopascal) 1 atm = 1,01325 × 102 kPa
Gambar 5.2 Sebuah barometer untuk mengukur tekanan atmosfer. Di atas merkuri dalam tabung adalah ruang hampa. (Ruang sebenarnya mengandung jumlah yang sangat kecil dari merkuri uap.) Kolom merkuri didukung oleh tekanan atmosfer.
CONTOH 5.1 Tekanan di luar pesawat jet terbang yang sedang terbang tinggi, jatuh secara tiba-tiba di bawah tekanan atmosfer standar. Oleh karena itu, udara di dalam kabin harus ditekan untuk melindungi penumpang. Berapa tekanan di atmosfer dalam kabin jika pembacaan barometer menunjukkan 672 mmHg?
Strategi Karena 1 atm = 760 mmHg , faktor konversi berikut ini diperlukan untuk mendapatkan tekanan di atmosfer 1 atm 760 mmHg
Solusi Tekanan di dalam kabin adalah
tekanan = 672 mmHg ×
1 atm = 𝟎, 𝟖𝟖𝟒 𝐚𝐭𝐦 760 mmHg
Manometer adalah alat yang kurang digunakan tekanan gas kurang selaindaridi1 Cek Karena pembacaan barometer dari 760untuk mmHg,mengukur maka tekanan seharusnya atm. atmosfer. Prinsip kerjanya mirip dengan barometer. Ada dua jenis manometer, ditunjukkan pada Gambar 5.3. Manometer tabung tertutup biasanya digunakan untuk Latihan Konversikan 749 mmHg ke atmosfer
K i m i a D a s a r 1 | 171
mengukur tekanan di bawah tekanan atmosfer [Gambar 5.3 (a)], sedangkan manometer tabung terbuka lebih cocok untuk mengukur tekanan yang sama dengan atau lebih besar dari tekanan atmosfer [Gambar 5.3 (b)]. Hampir semua barometer dan kebanyakan manometer menggunakan merkuri sebagai fluida kerja, meskipun faktanya merkuri adalah zat beracun dengan uap berbahaya. Alasan penggunaan merkuri karena merkuri memiliki kerapatan sangat tinggi (13,6 g/mL) dibandingkan dengan kebanyakan cairan lainnya. Karena ketinggian cairan dalam kolom berbanding terbalik dengan kerapatan cairannya, sifat ini memungkinkan membuat barometer dan manometer yang berukuran kecil. REVIEW KONSEP Urutkan ukuran tekanan berikut dari yang paling rendah ke yang paling tinggi: (a) 735 mmHg (b) 1,06 × 105 Pa, (c) 678 torr, (d) 0,926 atm.
Gambar 5.3 Dua jenis manometer yang digunakan untuk mengukur tekanan gas. (a) Tekanan gas yang lebih kecil dari tekanan atmosfer, (b) Tekanan gas yang lebih besar dari tekanan atmosfer.
5.1 Hukum-hukum Gas Hukum gas yang akan kita pelajari dalam bab ini adalah hasil dari percobaan yang tak terhitung jumlahnya pada sifat fisik gas yang dilakukan selama beberapa abad. Masingmasing generalisasi mengenai perilaku makroskopik gas merupakan tonggak dalam sejarah ilmu pengetahuan. Bersama-sama mereka telah memainkan peran penting dalam pengembangan banyak ide dalam kimia. Hubungan Tekanan-Volume: Hukum Boyle Pada abad ketujuhbelas, kimiawan Inggris Robert Boyle mempelajari perilaku gas secara sistematis dan kuantitatif. Dari serangkaian percobaannya, Boyle menyelidiki
K i m i a D a s a r 1 | 172 hubungan tekanan-volume dari sampel gas menggunakan alat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.4. Pada Gambar 5.4 (a) tekanan yang diberikan pada gas oleh merkuri yang ditambahkan ke tabung sama dengan tekanan atmosfer. Pada Gambar 5.4 (b) kenaikan tekanan akibat penambahan lebih lanjut sejumlah merkuri mengakibatkan penurunan volume gas dan ketinggian yang tidak merata di dalam tabung. Boyle menyadari bahwa ketika temperatur konstan, volume (V) dari jumlah gas yang diberikan menurun sejalan tekanan total yang dikenakan (P)--tekanan atmosfer ditambah dengan tekanan akibat penambahan merkuri--meningkat. Hubungan antara tekanan dan volume nampak sekali dalam Gambar 5.4. Sebaliknya, jika tekanan yang dikenakan menurun, volume gas menjadi lebih besar. Pernyataan matematika yang menunjukkan hubungan terbalik antara tekanan dan volume adalah P ∝
1 V
dimana simbol ∝ berarti sebanding dengan. Untuk mengubah ∝ menjadi tanda sama dengan, kita harus menuliskan P = k1 ×
1 V
(5.1a)
Gambar 5.4 Instrumen untuk mempelajari hubungan antara tekanan dan volume gas. (a) Tinggi merkuri adalah sama dan tekanan gas sama dengan tekanan atmosfer (760 mmHg). Volume gas 100 mL. (b) Menggandakan tekanan dengan menambahkan merkuri berlebih mengurangi volume gas menjadi 50 mL. (c) tiga kali lipat tekanan gas mengurangi volume gas menjadi sepertiga dari volume aslinya. Temperatur dan jumlah gas dijaga konstan.
K i m i a D a s a r 1 | 173 Kenaikan atau penurunan volume gas pada temperatur konstan
P
P
P
Volume turun
Volume naik
(Tekanan naik)
(Tekanan turun)
Hukum Boyle
Hukum Boyle 𝑃 = (𝑛𝑅𝑇)
1 𝑉
𝑛𝑅𝑇 konstan
Pemanasan atau pendinginan pada tekanan konstan
P
P
P
Hukum Charles 𝑉=
𝑛𝑅 T 𝑃
Hukum Charles
𝑛𝑅 konstan 𝑃
Pemanasan atau pendinginan pada volume konstan
P
P
P
Hukum Charles 𝑛𝑅 𝑃= T 𝑉
𝑛𝑅 konstan 𝑉
Ketergantungan volume pada jumlah gas pada temperatur dan tekanan konstan
P
P
Hukum Avogadro 𝑅𝑇 𝑉 = ( )𝑛 𝑃
𝑅𝑇 konstan 𝑃
Gambar 5.5 Skema ilustrasi hukum Boyle, hukum Charles, dan hukum Avogadro.
P
K i m i a D a s a r 1 | 174 dimana k1 adalah konstanta yang disebut konstanta kesebandingan. Persamaan (5.1a) adalah pernyataan dari Hukum Boyle, yang menyatakan bahwa tekanan dari sejumlah campuran gas yang dipertahankan pada temperatur konstan berbanding terbalik dengan volume gas. Kita dapat mengatur ulang Persamaan (5.1a) dan memperoleh 𝑃𝑉 = 𝑘1
(5.1b)
Bentuk hukum Boyle mengatakan bahwa produk dari tekanan dan volume gas pada temperatur konstan dan jumlah gas adalah konstan. Gambar 5.5 adalah representasi skematis dari hukum Boyle. Besaran n adalah jumlah mol gas dan R adalah konstanta yang didefinisikan dalam Bagian 5.4. Dengan demikian, konstanta kesebandingan k1 dalam Persamaan (5.1) sama dengan nRT. Konsep dari satu besaran yang sebanding dengan lainnya dan penggunaan konstanta kesebandingan dapat dijelaskan melalui analogi berikut. Pendapatan harian bioskop tergantung pada harga tiket (dalam dolar per tiket) dan jumlah tiket yang terjual. Dengan asumsi bahwa biaya bioskop adalah satu harga untuk semua tiket, dapat kita tulis pendapatan = (dolar/tiket) × jumlah tiket yang terjual Karena jumlah tiket yang terjual bervariasi dari hari ke hari, pendapatan pada hari tertentu dikatakan sebanding dengan jumlah tiket yang dijual: pendapatan ∞ jumlah tiket yang terjual = C ∞ jumlah tiket yang terjual di mana C, konstanta kesebandingan, adalah harga per tiket. Gambar 5.6 menunjukkan dua cara konvensional dalam mengungkapkan temuan Boyle secara grafik. Gambar 5.6 (a) adalah grafik dari persamaan PV = k1; Gambar 5.6 (b) adalah grafik dari persamaan setara P = k1 × 1/V. Perhatikan bahwa yang terakhir adalah persamaan linear dalam bentuk y = mx + b, di mana m = k1 dengan b = 0. Meskipun nilai masing-masing dari tekanan dan volume dapat bervariasi untuk sampel gas yang diberikan, asalkan temperatur tetap konstan dan jumlah gas tidak berubah, P dikali V selalu sama dengan konstanta yang sama. Oleh karena itu, untuk sampel gas yang diberikan di bawah dua keadaan yang berbeda dari kondisi pada temperatur konstan, kita peroleh P1V1 = k1 = P2V2 atau P1V1 = P2V2 dimana V1 dan V2 masing-masing adalah volume pada tekanan P1 dan P2.
(5.2)
K i m i a D a s a r 1 | 175
Gambar 5.6 Grafik yang menunjukkan variasi volume gas terhadap tekanan pada gas, pada temperatur konstan. (a) P terhadap V. Perhatikan bahwa volume gas menjadi dua kali lipat. (b) P terhadap 1/V.
Hubungan Temperatur-Volume: Hukum Charles dan Gay-Lussac Hukum Boyle tergantung pada temperatur sistem yang konstan. Tapi andaikan temperatur berubah: Bagaimana perubahan temperatur mempengaruhi volume dan tekanan gas? Pertama mari kita lihat pengaruh temperatur pada volume gas. Para peneliti sebelumnya dari hubungan ini adalah ilmuwan Prancis, Jacques Charles dan Joseph Gay-Lussac. Penelitian mereka menunjukkan bahwa, pada tekanan konstan, volume sampel gas mengembang ketika dipanaskan dan menyusut bila didinginkan (Gambar 5.7). Hubungan kuantitatif yang terlibat dalam perubahan temperatur dan volume gas menjadi sangat konsisten. Misalnya, kita mengamati sebuah fenomena menarik ketika kita mempelajari hubungan temperatur-volume pada berbagai tekanan. Pada setiap tekanan yang diberikan, plot volume terhadap temperatur menghasilkan garis lurus. Dengan memperpanjang baris ke volume nol, kita menemukan perpotongan pada sumbu temperatur dengan nilai -273,15°C. Pada tekanan lainnya, kita memperoleh garis lurus yang berbeda untuk plot volume-temperatur, tapi didapatkan temperatur dengan volume nol yang berpotongan sama pada -273,15°C. (Gambar 5.8). (Dalam prakteknya, kita dapat mengukur volume gas di atas hanya pada rentang temperatur yang terbatas, karena semua gas menguap pada temperatur rendah membentuk cairan.)
Gambar 5.7 Variasi volume sampel gas dan temperatur, pada tekanan konstan. Tekanan yang diberikan pada gas adalah jumlah tekanan atmosfer dan tekanan karena berat merkuri.
K i m i a D a s a r 1 | 176 Pada tahun 1848 fisikawan Skotlandia Lord Kelvin menyadari pentingnya fenomena ini. Dia mengidentifikasi -273,15 ° Csebagai nol mutlak, secara teoritis merupakan temperatur terendah yang bisa mencapai. Selanjutnya, dia menetapkan sebuah skala temperatur mutlak, yang sekarang disebut skala temperatur Kelvin, dengan nol mutlak sebagai titik awalnya. Pada skala Kelvin, satu kelvin (K) sama besarnya dengan satu derajat Celcius. Satu-satunya perbedaan antara skala temperatur mutlak dan skala Celcius adalah posisi nol yang digeser. Titik penting pada kedua skala itu disusun sebagai berikut:
Nol mutlak Titik beku air Titik didih air
Skala Kelvin 0K 273,15 K 373,15 K
Skala Celsius -273,15C 0C 100C
Konversi antara C dan K diberikan pada Bagian 1.5: ? K = (C + 273,15C)
1K 1 C
Dalam kebanyakan perhitungan kita akan menggunakan 273 bukannya 273,15 sebagai istilah yang menghubungkan dengan K dan °C. Dengan konvensi, kita menggunakan T untuk menunjukkan temperatur mutlak (Kelvin) dan t untuk menunjukkan temperatur pada skala Celcius.
Gambar 5.8 Variasi volume sampel gas dengan temperatur, pada tekanan konstan. Setiap baris mewakili variasi pada tekanan tertentu. Tekanan meningkat dari P 1 ke P4. Semua gas akhirnya menguap (menjadi cairan) jika didinginkan sampai temperatur yang cukup rendah, bagian padat dari garis mewakili wilayah temperatur di atas titik kondensasi. Ketika garis ini diekstrapolasi, atau diperpanjang (bagian putus-putus), mereka semua berpotongan di titik nol mewakili volume dan temperatur 273,15°C.
Ketergantungan volume gas terhadap temperatur diberikan oleh
K i m i a D a s a r 1 | 177
V∞T V = k2T atau 𝑉 𝑇
= 𝑘2
(5.3)
dimana k2 adalah konstanta kesebandingan. Persamaan (5.3) dikenal sebagai Hukum Charles dan Gay-Lussac, atau cukup hukum Charles, yang menyatakan bahwa volume campuran gas yang dipertahankan pada tekanan konstan berbanding lurus dengan temperatur mutlak gas. Hukum Charles juga diilustrasikan dalam Gambar 5.5. Kita lihat bahwa konstanta kesebandingan k2 dalam Persamaan (5.3) sama dengan nR/P. Sama seperti yang kita lakukan untuk tekanan-volume hubungan pada temperatur konstan, kita dapat membandingkan dua kondisi volume-temperatur untuk sampel gas yang diberikan pada tekanan konstan. Dari Persamaan (5.3) dapat kita tulis 𝑉1 𝑉2 = 𝑘2 = 𝑇1 𝑇2 atau 𝑉1 𝑇1
=
𝑉2 𝑇2
(5.4)
di mana V1 dan V2 adalah volume gas pada temperatur T1 dan T2 (keduanya dalam kelvin), masing-masing. Bentuk lain dari hukum Charles menunjukkan bahwa pada jumlah dan volume gas yang konstan, tekanan gas sebanding dengan temperatur P∞T P = k3T atau 𝑃 𝑇
= 𝑘3
(5.5)
Dari Gambar 5.5 kita lihat bahwa k3 = nR/V. Seperti Persamaan (5.5), kita peroleh 𝑃1 𝑃2 = 𝑘3 = 𝑇1 𝑇2 atau 𝑃1 𝑇1
=
𝑃2 𝑇2
(5.6)
K i m i a D a s a r 1 | 178 di mana P1 dan P2 adalah tekanan gas pada temperatur T1 dan T2 (keduanya dalam kelvin), masing-masing. Hubungan Volume-Jumlah: Hukum Avogadro Karya dari ilmuwan Italia Amedeo Avogadro melengkapi studi Boyle, Charles, dan Gay-Lussac. Pada 1811, ia mempublikasikan sebuah hipotesis yang menyatakan bahwa pada temperatur dan tekanan yang sama, sejumlah volume yang sama dari gas yang berbeda mengandung jumlah molekul yang sama (atau atom jika gasnya adalah monoatomik). Oleh karena itu, volume gas yang diberikan harus sebanding dengan jumlah mol molekul yang ada, yaitu, V∞n V = k4n
(5.7)
dimana n merupakan jumlah mol dan k4 adalah konstanta kesebandingan. Persamaan (5.7) adalah pernyataan matematika dari hukum Avogadro, yang menyatakan bahwa pada tekanan dan temperatur konstan, volume gas berbanding lurus dengan jumlah mol gas yang ada. Dari Gambar 5.5 kita lihat bahwa k4 = RT/P.
Gambar 5.9 Hubungan volume gas dalam reaksi kimia. Perbandingan volume molekul hidrogen dengan molekul nitrogen 3:1, dan amonia (produk) dengan gabungan molekul hidrogen dan molekul nitrogen (reaktan) adalah 2:4, atau 1:2.
Menurut hukum Avogadro dapat kita lihat bahwa ketika dua gas bereaksi satu sama lain, volume reaksinya memiliki perbandingan sederhana satu sama lain. Jika produknya adalah gas, volumenya terkait dengan volume reaktan dengan perbandingan yang sederhana (fakta ditunjukkan sebelumnya oleh Gay-Lussac). Sebagai contoh, perhatikan sintesis amonia dari molekul hidrogen dan nitrogen molekul: 3H2(g) + N2(g) → 2NH3(g) 3 mol
1 mol
2 mol
Karena, pada temperatur dan tekanan yang sama, volume gas berbanding lurus dengan jumlah mol gas yang ada, sekarang dapat kita tulis
K i m i a D a s a r 1 | 179
3H2(g) + N2(g) → 2NH3(g) 3 volume 1 volume
2 volume
Perbandingan volume molekul hidrogen dengan molekul nitrogen adalah 3:1, dan perbandingan amonia (produk) dengan gabungan molekul hidrogen dan molekul nitrogen (reaktan) adalah 2:4, atau 1:2 (Gambar 5.9). Contoh kerja yang menggambarkan hukum gas disajikan dalam Bagian 5.4. REVIEW KONSEP Jika temperatur mutlak dari suatu sampel gas meningkat sementara volumenya konstan, apakah tekanan sampel gas meningkat, menurun, atau tetap sama?
5.4 Persamaan Gas Ideal Mari kita ringkas hukum gas yang telah kita bahas sejauh ini: Hukum Boyle : V ∞ 1/P (pada n dan T konstan) Hukum Charles : V ∞ T (pada n dan P konstan) Hukum Avogadro: V ∞ n (pada P dan T konstan) Kita dapat menggabungkan ketiga pernyataan tersebut untuk membentuk satu persamaan induk untuk perilaku gas: 𝑛𝑇 𝑉∞ 𝑃 𝑛𝑇 𝑉=𝑅 𝑃 atau PV = nRT
(5.8)
dimana R, konstanta kesebandingan, disebut konstanta gas. Persamaan (5.8), yang disebut persamaan gas ideal, menggambarkan hubungan antara empat variabel P, V, T, dan n. Gas ideal adalah gas hipotetis yang perilaku tekanan-volume-temperaturnya dapat dijelaskan sepenuhnya oleh persamaan gas ideal. Molekul-molekul gas ideal tidak saling menarik atau menolak satu sama lain, dan volumenya dapat diabaikan terhadap volume wadahnya. Meskipun tidak ada hal seperti itu di alam sebagai gas ideal, perbedaan perilaku gas nyata pada temperatur dan rentang tekanan wajar tidak signifikan mempengaruhi perhitungan. Dengan demikian, kita dapat menggunakan persamaan gas ideal untuk memecahkan soal-soal gas. Sebelum kita dapat menerapkan persamaan gas ideal untuk sebuah sistem nyata, kita harus mengevaluasi konstanta gas R. Pada 0°C (273,15 K) dan tekanan 1 atm, banyak gas nyata berperilaku seperti gas ideal. Percobaan menunjukkan bahwa di bawah kondisi ini, 1 mol gas ideal menempati 22,414 L, yang agak lebih besar dari volume
K i m i a D a s a r 1 | 180 bola basket, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.10. Kondisi 0°C dan 1 atm disebut temperatur dan tekanan standar, sering disingkat STP. Dari Persamaan (5.8) dapat kita tulis 𝑅=
=
𝑃𝑉 𝑛𝑇 (1 atm)(22,414 L) (1 mol)(273,25 K)
= 0,082057
L . atm K . atm
= 0,082057 L .
atm . mol K
Gambar 5.10 Perbandingan volume molar pada STP (yang sekitar 22,4 L) dengan bola basket.
Titik antara L dan atm dan antara K dan mol mengingatkan kita bahwa baik L dan atm berada di pembilang sedangkan K dan mol dalam penyebut. Untuk kebanyakan perhitungan, kita akan membulatkan nilai R menjadi tiga angka penting (0,0821 L . atm/K . mol) dan menggunakan 22,4 L untuk volume molar gas pada STP.
K i m i a D a s a r 1 | 181 CONTOH 5.2 Belerang heksaflorida (SF6) adalah gas tidak berwarna, tidak berbau, sangat reaktif. Hitung tekanan (dalam atm) yang dikenakan oleh 1,39 mol gas dalam kapal baja dengan volume 6,09 L pada 55°C. Strategi Masalahnya diberikan sejumlah gas beserta volume dan temperaturnya. Apakah gas mengalami perubahan dalam sifat-sifatnya? Apa persamaan yang harus kita gunakan untuk memecahkan tekanan? Apa satuan temperatur yang harus kita gunakan? Solusi Karena tidak ada perubahan sifat gas terjadi, kita bisa menggunakan persamaan gas ideal untuk menghitung tekanan. Dengan mengatur ulang Persamaan (5.8), diperoleh:
P=
=
nRT V
(1,39 mol) (0,0821 L .
atm K
. mol) (55 + 273)K
6,09 L
= 𝟔, 𝟏𝟓 𝐚𝐭𝐦
CONTOH 5.3 Latihan Hitung volume (dalam liter) yang ditempati oleh 2,12 mol nitrat oksida (NO) pada 6,54 atm dan 76°C. volume Hitung (dalam liter) yang ditempati oleh 5,58 g NH3 pada STP. Strategi Berapa volume satu mol gas ideal pada STP? Berapa banyak mol yang ada dalam 5,58 g NH3? Solusi Perhatikan bahwa 1 mol gas ideal menempati 22,4 L pada STP dan gunakan massa molar NH3 (17,03 g), Dapat dituliskan urutan konversi sebagai berikut:
Gram NH3 → mol NH3 → liter NH3 pada STP
Sehingga volume NH3 yang diberikan:
V = 5,58 g NH3 ×
1 mol NH3 22,4 L × 17,03 g NH3 1 mol NH3
= 𝟕, 𝟑𝟒 𝐋
Hal ini sering berlaku dalam kimia, terutama dalam perhitungan hukum gas, bahwa soal bisa diselesaikan dengan lebih dari satu cara. Di sini soal juga bisa diselesaikan dengan mengkonversi lebih dulu 5,58 g NH3 ke jumlah mol NH3, kemudian menerapkan persamaan gas ideal (V = nRT/P). Cobalah.
Persamaan gas ideal berguna untuk Soal-soal yang tidak melibatkan perubahan dalam CekT,Karena g NHsampel massa molar, volume tersebut padakita STPperlu harus berurusan lebih kecil dari 3 lebih kecil P, V, dan n5,58 untuk gas.dari Kadang-kadang, bagaimanapun, 22,4 L. Oleh karena itu, jawabannya adalah wajar. dengan perubahan tekanan, volume, dan temperatur, atau bahkan dengan jumlah gas. Ketika kondisi berubah, kita harus menggunakan bentuk modifikasi dari persamaan gas Latihan Berapakah volume (dalam liter) yang ditempati oleh 49,8 g HCl pada STP?
K i m i a D a s a r 1 | 182 ideal yang memperhitungkan kondisi awal dan akhir. Kita turunkan persamaan modifikasi sebagai berikut. Dari Persamaan (5.8), 𝑅=
𝑃1 𝑉1 𝑃2 𝑉2 (sebelum perubahan) and 𝑅 = (sesudah perubahan) 𝑛1 𝑇1 𝑛2 𝑇2
Sehingga, 𝑃1 𝑉1 𝑃2 𝑉2 =𝑅= 𝑛1 𝑇1 𝑛2 𝑇2
(5.9)
Jika n1 = n2, seperti yang biasanya terjadi karena jumlah gas normalnya tidak berubah, persamaan kemudian menjadi: 𝑃1 𝑉1 𝑃2 𝑉2 = 𝑇1 𝑇2
(5.10)
K i m i a D a s a r 1 | 183
CONTOH 5.4 Sebuah gelembung kecil naik dari dasar danau, di mana temperatur dan tekanannya adalah 8°C dan 6,4 atm, ke permukaan air, di mana temperaturnya 25°C dan tekanannya adalah 1,0 atm. Hitung volume akhir (dalam mL) dari gelembung jika volume awalnya 2,1 mL.
Strategi Dalam memecahkan masalah seperti ini, di mana banyak informasi yang diberikan, maka kadang-kadang membantu untuk membuat sketsa situasi, seperti yang ditunjukkan di sini:
Apa
satuan
temperatur
yang
harus
digunakan
dalam
perhitungan?
Solusi Menurut Persamaan (5.9)
𝑃1 𝑉1 𝑃2 𝑉2 = 𝑛1 𝑇1 𝑛2 𝑇2 Kita asumsikan bahwa jumlah udara dalam gelembung tetap konstan, yaitu, n1 = n2 sehingga
𝑃1 𝑉1 𝑃2 𝑉2 = 𝑇1 𝑇2 Kondisi Awal P1 = 6,4 atm V1 = 2,1 mL T1 = (8 +273) K = 281 K
Kondiai Akhir P2 = 1,0 atm V2 = ? T2 = (25 + 273) K = 298 K
Dengan mengatur ulang Persamaan (5.10) diperoleh 𝑉2 = 𝑉1 ×
= 2,1 mL ×
𝑃1 𝑇2 × 𝑃2 𝑇1
6,4 atm 298 K × 1,0 atm 281 K
= 𝟏𝟒 𝐦𝐋
Cek Kita lihat bahwa volume akhir melibatkan perkalian volume awal dengan perbandingan tekanan (P1/P2) dan perbandingan temperatur (T2/T1). Ingat volume yang berbanding terbalik dengan tekanan, dan volume berbanding lurus dengan temperatur. Karena tekanan turun dan temperatur naik sebagai gelembung naik, kita harap volume gelembung ini meningkat. Bahkan, di sini perubahan tekanan memainkan peran yang lebih besar dalam perubahan volume. Latihan Suatu gas awalnya pada 4,0 L, 1,2 atm, dan 66°C mengalami perubahan sehingga volume akhir dan temperaturnya adalah 1,7 L dan 42°C. Berapa tekanan akhirnya? Asumsikan jumlah mol tetap tidak berubah.
K i m i a D a s a r 1 | 184 Kerapatan dan Massa Molar Gas Persamaan gas ideal dapat diterapkan untuk menentukan kerapatan atau massa molar suatu gas. Dengan mengatur ulang Persamaan (5.8), dapat kita tulis 𝑛 𝑃 = 𝑉 𝑅𝑇 Jumlah mol gas, n, diberikan oleh 𝑛=
𝑚 𝑀𝑟
di mana m adalah massa gas dalam gram dan Mr adalah massa molarnya. Sehingga, 𝑚 𝑃 = 𝑀𝑟 𝑉 𝑅𝑇 Karena kerapatan, d, adalah massa per satuan volume, kita dapat menulis 𝑑=
𝑚 𝑃𝑀𝑟 = 𝑉 𝑅𝑇
(5.11)
Persamaan (5.11) memungkinkan kita untuk menghitung kerapatan gas (diberikan dalam satuan gram per liter). Seringkali, kerapatan gas dapat diukur, sehingga persamaan ini dapat disusun kembali bagi kita untuk menghitung massa molar zat gas: 𝑀𝑟 =
𝑑𝑅𝑇 𝑃
(5.12)
Dalam sebuah percobaan yang khas, sebuah bola lampu dengan volume diketahui diisi dengan gas yang sedanga diteliti. Temperatur dan tekanan dari sampel gas dicatat, dan massa total dari bola lampu sampel gas ditentukan (Gambar 5.11). Bola tersebut kemudian dievakuasi (dikosongkan) dan ditimbang lagi. Perbedaan massa ini adalah massa gas. Kerapatan gas sama dengan massa dibagi dengan volume bola lampu. Kemudian kita dapat menghitung massa molar zat menggunakan Persamaan (5.12).
Gambar 5.11 Sebuah alat untuk mengukur kerapatan gas. Sebuah bola dengan volume yang diketahui diisi dengan gas yang sedang diteliti pada temperatur dan tekanan tertentu. Pertama, bola lampu ditimbang, kemudian dikosongkan (dievakuasi) dan ditimbang lagi. Perbedaan massa memberikan massa gas. Dengan mengetahui volume bola lampu, kita dapat menghitung kerapatan gas.
K i m i a D a s a r 1 | 185 CONTOH 5.5 Seorang ahli kimia telah mensintesis senyawa gas kuning kehijauan yang terdiri dari klorin dan oksigen dan menemukan bahwa kerapatannya adalah 8.14 g/L pada 47°C dan 3,15 atm. Hitung massa molar senyawa dan tentukan rumus molekulnya. Strategi Karena Persamaan (5.11) dan (5.12) adalah penyusunan ulang satu sama lain, kita dapat menghitung massa molar gas jika kita tahu kerapatan, temperatur, dan tekanannya. Rumus molekul dari senyawa tersebut harusnya konsisten dengan massa molarnya. Apa satuan temperatur yang harus kita gunakan? Solusi Dari Persamaan (5.12)
𝑀𝑟 =
=
𝑑𝑅𝑇 𝑃
(8,14) (0,0821 L.
atm K
. mol) (47 + 273)K
3,15 atm
= 𝟔𝟕, 𝟗 𝐠/𝐦𝐨𝐥
Kita bisa menentukan rumus molekul dari senyawa dengan cara trial and error, hanya menggunakan pengetahuan massa molar klorin (35,45 g) dan oksigen (16,00 g). Kita tahu bahwa senyawa yang mengandung satu atom Cl dan satu atom O akan memiliki massa molar 51.45 g, yang paling rendah, sementara massa molar senyawa terdiri dari dua atom Cl dan satu atom O adalah 86,90 g, yang paling tinggi. Dengan demikian, senyawa tersebut harus berisi satu atom Cl dan dua atom O dan memiliki rumus ClO2, yang memiliki massa molar 67.45 g.
Stoikiometri Gas Dalam Bab 3 kita menggunakan hubungan antara jumlah (dalam mol) dan massa Latihan Kerapatan gas senyawa organik adalah 3,38 g/L pada 40°C dan 1,97 atm. Berapa massa molar (dalam nya? gram) dari reaktan dan produk untuk memecahkan masalah stoikiometri. Ketika reaktan dan/atau menghasilkan gas, kita juga dapat menggunakan hubungan antara jumlah (mol, n) dan volume (V) untuk memecahkan masalah tersebut (Gambar 5.12). Jumlah reaktan (gram atau volume
Mol reaktan
Mol produk
Jumlah produk (gram atau volume
Gambar 5.12 Perhitungan stoikiometri yang melibatkan gas.
K i m i a D a s a r 1 | 186 CONTOH 5.6 Natrium azida (NaN3) digunakan dalam beberapa kantong udara mobil. Dampak dari tabrakan memicu dekomposisi NaN3 sebagai berikut: 2NaN3(s) → 2Na(s) + 3N2(g) Gas nitrogen diproduksi dengan cepat mengembangkan tas antara pengemudi dan kaca depan dan dashboard. Hitung volume N2 yang dihasilkan pada 85°C dan 812 mmHg oleh dekomposisi 50,0 g NaN3. Strategi Dari persamaan setara kita lihat bahwa 2 mol NaN3 ∞ 3 mol N2 sehingga faktor konversi antara NaN3 dan N2 adalah 3 mol N2 2 mol NaN3
Karena massa NaN3 diberikan, kita dapat menghitung jumlah mol NaN 3 dan selanjutnya jumlah mol N2 yang dihasilkan. Akhirnya, kita dapat menghitung volume N 2 menggunakan persamaan gas ideal. Solusi Urutan konversinya adalah sebagai berikut: gram NaN3 → mol NaN3 → mol N2 → volume N2
Pertama, kita hitung jumlah mol N2 yang dihasilkan oleh 50,0 g NaN3:
mol N2 = 50,0 g NaN3 ×
1 mol NaN3 3 mol N2 × 65,02 g NaN3 2 mol NaN3
= 𝟑𝟏, 𝟔 𝐋 REVIEW KONSEP Latihan Persamaan atas kerusakan metabolisme (C6Hberikut samamemiliki dengan volume persamaan 12O6) adalah Mengasumsikan perilaku gas ideal, manakah dari glukosa sampel gas yang akan untuk pembakaran glukosa di udara: terbesar pada STP? Manakah dari gas ini yang akan memiliki kerapatan terbesar pada STP? (a) 0,82 mol He, (b) 24 g N2, (c) 5,0 × 10C236H molekul Cl2 12O6 (s) + 6O2 (g) → 6CO2 (g) + 6H2O (l) Hitung volume CO2 yang dihasilkan pada temperatur 37°C dan 1,00 atm saat 5,60 g glukosa digunakan dalam reaksi.
5.7 Hukum Dalton tentang Tekanan Parsial
Sejauh ini kita telah berkonsentrasi pada perilaku zat gas murni, namun studi eksperimental sangat sering melibatkan campuran gas. Misalnya, untuk studi polusi udara, kita mungkin tertarik hubungan tekanan-volume-temperatur dalam sampel udara, yang berisi beberapa gas. Dalam kasus ini, dan semua kasus yang melibatkan campuran gas, tekanan total gas berkaitan dengan tekanan parsial, yaitu, tekanan dari masingmasing komponen gas dalam campuran. Pada tahun 1801, Dalton merumuskan hukum, sekarang dikenal sebagai hukum Dalton tantang tekanan parsial, yang menyatakan
K i m i a D a s a r 1 | 187
tekanan total campuran gas adalah jumlah dari tekanan masing-masing gas itu sendiri. Gambar 5.13 mengilustrasikan hukum Dalton. Volume dan temperatur konstan
Kombinasi gas
P1
P2
PT = P1 + P2
Gambar 5.13 Skema ilustrasi hukum Dalton tentang tekanan parsial. +
Perhatikan kasus di mana dua gas, A dan B, berada dalam sebuah wadah dengan volume V. Tekanan yang diberikan oleh gas A, sesuai dengan persamaan gas ideal, yaitu 𝑃𝐴 =
𝑛𝐴 𝑅𝑇 𝑉
dimana nA adalah jumlah mol A. Demikian pula, tekanan yang diberikan oleh gas B adalah 𝑃𝐵 =
𝑛𝐵 𝑅𝑇 𝑉
Dalam campuran gas A dan B, tekanan total PT adalah hasil dari tumbukan kedua jenis molekul, A dan B, dengan dinding-dinding wadah. Dengan demikian, menurut hukum Dalton, PT = PA + PB 𝑛𝐴 𝑅𝑇 𝑛𝐵 𝑅𝑇 = + 𝑉 𝑉 𝑅𝑇 = (𝑛𝐴 + 𝑛𝐵 ) 𝑉 dimana n, jumlah total mol gas yang ada, ditentukan dengan n = nA + nB, dan PA dan PB masing-masing adalah tekanan parsial gas A dan B. Untuk campuran gas, selanjutnya, PT hanya bergantung pada jumlah mol gas yang ada, bukan pada sifat molekul gas. Secara umum, tekanan total campuran gas diberikan dengan PT = P1 + P2 + P3 + ...
K i m i a D a s a r 1 | 188 di mana P1, P2, P3,. . . adalah tekanan parsial dari komponen 1, 2, 3,. . . . Untuk melihat berapa setiap tekanan parsial berkaitan dengan tekanan total, perhatikan lagi kasus campuran dari dua gas A dan B. Pembagian PA oleh PT, kita memperoleh 𝑃𝐴 = 𝑃𝑇 𝑛𝐴 = 𝑛𝐴 + 𝑛𝐵 = 𝑋𝐴
𝑛𝐴 𝑅𝑇 𝑉 (𝑛𝐴 + 𝑛𝐵 )𝑅𝑇 𝑉
di mana XA disebut fraksi mol A. Fraksi mol adalah kuantitas yang tidak berdimensi yang mengungkapkan perbandingan jumlah mol salah satu komponen dengan jumlah mol semua komponen yang ada. Secara umum, fraksi mol komponen i dalam campuran diberikan dengan (5.13) 𝑛𝑖 𝑋𝑖 = 𝑛𝑇 dimana ni dan nT adalah jumlah mol komponen i dan jumlah mol total. Fraksi mol selalu lebih kecil dari 1. Sekarang dapat dinyatakan tekanan parsial A sebagai PA = XAPT Demikian pula, PB = XBPT Perhatikan bahwa jumlah fraksi mol untuk campuran gas harus sama dengan satu. Jika hanya ada dua komponen, maka XA + XB =
nA nB + =1 nA + nB nA + nB
Jika sistem berisi lebih dari dua gas, maka tekanan parsial dari komponen i dihubungkan dengan tekanan total (5.14) Pi = XiPT Bagaimana tekanan parsial ditentukan? Sebuah manometer hanya dapat mengukur tekanan total campuran gas. Untuk mendapatkan tekanan parsial, kita perlu mengetahui fraksi mol komponen, yang akan melibatkan analisis kimia rumit. Kebanyakan metode yang langsung mengukur tekanan parsial menggunakan spektrometer massa. Intensitas relatif dari puncak dalam spektrum massa berbanding lurus dengan jumlah, dan dalam hal ini adalah fraksi mol dari gas-gas yang ada.
K i m i a D a s a r 1 | 189 CONTOH 5.7 Campuran gas mengandung 3,85 mol neon (Ne), 0,92 mol argon (Ar), dan 2,59 mol xenon (Xe). Hitung tekanan parsial gas jika tekanan totalnya adalah 2,50 atm pada temperatur tertentu. Strategi Apa hubungan antara tekanan parsial gas dan tekanan total gas? Bagaimana kita menghitung fraksi mol gas?
Solusi Menurut Persamaan (5.14), tekanan parsial Ne (PNe) sama dengan produk fraksi molnya (XNe) dan tekanan total (PT) PNe = XNePT
Menggunakan persamaan (5.13), kita hitung fraksi mol Ne sebagai berikut:
𝑋𝑁𝑒 =
𝑛𝑁𝑒 3,85 mol = 𝑛𝑁𝑒 + 𝑛𝐴𝑟 + 𝑛𝑋𝑒 3,85 mol + 0,92 mol + 2,59 mol = 0,523
Sehingga, PNe = XNePT = 0,523 × 2,50 atm = 1,31 atm Demikian pula, kita dapat menghitung fraksi mol argon dan tekanan parsialnya: PAr = XArPT = 0,125 × 2,50 atm = 0,313 atm Akhirnya, kita menghitung fraksi mol xenon dan tekanan parsialnya:
Hukum tentang tekanan parsial berguna untuk menghitung volume kumpulan PNe = XDalton NePT gas di =atas permukaan air. Misalnya, ketika potasium klorat (KClO3) dipanaskan, maka 0,352 × 2,50 atm terdekomposisi menjadi KCl dan O2: = 0,880 atm
Cek Tekanan parsial masing-masing 2KClOgas → 2KCl(s) kurang dari + 3O tekanan 3(s)harus 2(g) total dan pastikan bahwa jumlah dari tekanan parsial sama dengan tekanan total, yaitu (1,31 + 0,313 + 0,880) atm = 2,50 atm. GasLatihan oksigen dapat dikumpulkan di atas permukaan air, (CH seperti yang pada Suatu sampel gas alam mengandung 8,24 mol metana molditunjukkan etana (C2H6), dan 0.116 4), 0,421 mol propana gas adalah 1,37 atm, berapa parsial 3H8). Jika tekanan Gambar 5.14. (CAwalnya, botoltotal benar-benar terbalik penuhtekanan dengan air.gas? Setelah gas
oksigen dihasilkan, gelembung-gelembung gas naik ke atas dan menggantikan air dalam botol. Metode pengumpulan gas didasarkan pada asumsi bahwa gas tidak bereaksi dengan air dan tidak lumayan larut di dalamnya. Asumsi ini berlaku untuk gas oksigen, tetapi tidak untuk gas seperti NH3, yang mudah larut dalam air. Gas oksigen yang dikumpulkan dengan cara ini tidak murni, karena uap air juga ada dalam botol.
K i m i a D a s a r 1 | 190 Tekanan total gas adalah sama dengan jumlah dari tekanan yang diberikan oleh gas oksigen dan uap air: 𝑃𝑇 = 𝑃𝑂2 + 𝑃𝐻2 𝑂 Botol yang terisi gas oksigen KClO3 dan MnO2
Botol yang terisi air yang siap dipindahkan dalam wadah plastik
Botol terisi penuh oksigen dan uap air
gas
Gambar 5.14 Suatu peralatan untuk mengumpulkan gas di atas permukaan air. Oksigen yang dihasilkan oleh pemanasan potasium klorat (KClO3) dengan adanya sejumlah kecil mangan dioksida (MnO2), yang mempercepat reaksi, ditiupkan melalui air dan dikumpulkan dalam botol seperti yang ditunjukkan. Air yang awalnya ada dalam botol didorong keluar oleh gas oksigen.
Sebagai akibatnya, kita harus mengetahui tekanan yang disebabkan oleh adanya uap air ketika kita menghitung jumlah O2 yang dihasilkan. Tabel 5.2 menunjukkan tekanan uap air pada berbagai temperatur. Tabel 5.2 Tekanan uap Air pada Temperatur yang Bervariasi Temperatur Tekanan Uap Air Tekanan Uap Air Temperatur (C) (mmHg) (mmHg) (C) 0 4,58 55 118,04 5
6,54
60
149,38
10
9,21
65
187,54
15
12,79
70
233,7
20
17,54
75
289,1
25
23,76
80
355,1
30
31,82
85
433,6
35
42,18
90
525,76
40
55,32
95
633,90
45
71,88
100
760,00
50
92,51
K i m i a D a s a r 1 | 191 CONTOH 5.8 Gas oksigen yang dihasilkan oleh dekomposisi potasium klorat dikumpulkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.14. Volume oksigen dikumpulkan pada 26°C dan tekanan atmosfer 771 mmHg adalah 141 mL. Hitung massa (dalam gram) dari gas oksigen yang diperoleh. Tekanan uap air pada 26°C adalah 25,2 mmHg. Strategi Untuk mencari massa O2 yang dihasilkan, pertama-tama kita harus menghitung tekanan parsial O2 dalam campuran. Apa hukum gas yang kita butuhkan? Bagaimana kita mengubah tekanan gas O 2 ke dalam massa O2 dalam gram? Solusi Dari Hukum Dalton tentang tekanan parsial kita tahu bahwa
𝑃𝑇 = 𝑃𝑂2 + 𝑃𝐻2 𝑂 Sehingga,
𝑃𝑂2 = 𝑃𝑇 − 𝑃𝐻2 𝑂 = 771 𝑚𝑚𝐻𝑔 − 25,2 𝑚𝑚𝐻𝑔 = 746 𝑚𝑚𝐻𝑔 Dari persamaan gas ideal kita tuliskan 𝑃𝑉 = 𝑛𝑅𝑇 =
𝑚 𝑅𝑇 𝑀𝑟
di mana m dan Mr, masing-masing adalah massa O2 yang dikumpulkan dan massa molar O2. Dengan mengatur ulang persamaan diperoleh
746
g
( ) atm (0,141 L)(32,00 ) PVMr 760 mol m= = = 𝟎, 𝟏𝟖𝟎 𝐠 atm RT (0,0821 L. . mol) (273 + 26)K K
REVIEW KONSEP Latihanbola Gasberwarna hidrogen merupakan yang dihasilkan ketika kalsium bereaksi dengan air dikumpulkan seperti Setiap molekul gaslogam yang berbeda. Hitung tekanan parsial gas jika tekanan yang ditunjukkan pada Gambar 5.14. Volume gas yang dikumpulkan pada 30°C dan tekanan 988 mmHg total nya 2,4 atm. adalah 641 mL. Berapakah massa (dalam gram) dari gas hidrogen yang diperoleh? Tekanan uap air pada 30°C adalah 31,82 mmHg.
K i m i a D a s a r 1 | 192 5.6 Teori Kinetik Molekul Gas Hukum gas membantu kita untuk memprediksi perilaku gas, tetapi tidak menjelaskan apa yang terjadi pada tingkat molekuler yang menyebabkan perubahan yang kita amati dalam skala makroskopik. Misalnya, mengapa gas memuai pada pemanasan? Pada abad kesembilan belas, sejumlah fisikawan, terutama fisikawan Austria Ludwig Boltzmann dan fisikawan Skotlandia James Clerk Maxwell, menemukan bahwa sifat fisik gas dapat dijelaskan dalam hal gerakan masing-masing molekul. Gerakan molekul ini adalah salah satu bentuk energi, yang didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan kerja atau untuk menghasilkan perubahan. Dalam mekanika, kerja didefinisikan sebagai gaya dikali jarak. Karena energi dapat diukur sebagai kerja, kita dapat menuliskan energi = kerja = gaya × jarak Joule (J) adalah satuan SI dari energi 1 J = 1 kg m2/s2 = 1 Nm atau, energi dapat dinyatakan dalam kilojoule (kJ): 1kJ = 1000 J Seperti yang akan kita lihat dalam Bab 6, ada banyak jenis energi. Energi kinetik (EK) adalah jenis energi yang dikeluarkan oleh benda yang bergerak, atau energi gerak. Penemuan Maxwell, Boltzmann, dan lain-lain mengakibatkan sejumlah generalisasi tentang perilaku gas yang telah dikenal sebagai teori kinetik molekular gas, atau hanya teori kinetik gas. Inti dari teori kinetik gas adalah asumsi-asumsi berikut: 1. Suatu gas terdiri dari molekul yang terpisah satu sama lain dengan jarak yang jauh lebih besar daripada dimensinya sendiri. Molekul-molekul dapat dianggap sebagai "titik-titik", yang memiliki massa namun memiliki volume yang dapat diabaikan. 2. Molekul gas berada dalam gerakan konstan dalam arah yang acak, dan sering bertumbukan satu sama lain. Tumbukan antar molekul adalah elastis sempurna. Dengan kata lain, energi dapat ditransfer dari satu molekul ke yang lain sebagai hasil dari tumbukan. Namun demikian, energi total semua molekul dalam sistem tetap sama. 3. Molekul gas tidak mengalami baik gaya tarik menarik maupun gaya tolak menolak satu sama lain. 4. Energi kinetik rata-rata molekul sebanding dengan temperatur gas dalam kelvin. Setiap dua gas pada temperatur yang sama akan memiliki energi kinetik yang sama rata. Energi kinetik rata-rata molekul diberikan dengan EK = ½ mū2 di mana m adalah massa molekul dan u adalah kecepatan. Garis horisontal tebal menunjukkan nilai rata-rata. Besaran ū2 disebut kecepatan rata-rata kuadrat, yang merupakan rata-rata dari kuadrat kecepatan semua molekul:
K i m i a D a s a r 1 | 193
ū2 =
𝑢1 2 + 𝑢2 2 + … + 𝑢𝑁 2 𝑁
dimana N adalah jumlah molekul. Asumsi 4 membuat kita dapat menuliskan EK ∞ T ½ mu2 ∞ T Oleh karenanya, EK = ½ mū2 = CT
(5.15)
dimana C adalah konstanta kesebandingan dan T adalah temperatur mutlak. Menurut teori kinetik molekular, tekanan gas adalah hasil dari tumbukan antara molekul dan dinding dari wadahnya. Hal ini tergantung pada frekuensi tumbukan per satuan luas dan seberapa "keras" molekul menabrak dinding. Teori ini juga menyediakan interpretasi temperatur molekul. Menurut Persamaan (5.15), temperatur mutlak gas adalah ukuran energi kinetik rata-rata molekul. Dengan kata lain, temperatur mutlak adalah ukuran gerak acak dari molekul--semakin tinggi temperatur, semakin energik molekul tersebut. Karena berkaitan dengan temperatur sampel gas, gerak acak molekuler kadang-kadang disebut sebagai gerakan termal. Aplikasi Hukum Gas Meskipun teori kinetik gas didasarkan pada model yang agak sederhana, rincian matematika yang terlibat sangat kompleks. Namun, secara kualitatif, dimungkinkan untuk menggunakan teori dalam menjelaskan sifat-sifat umum zat dalam bentuk gas. Contoh ilustrasi berikut menggambarkan berbagai kegunaannya: Kompresibilitas Gas (mudah tidaknya dimampatkan). Karena molekul dalam fase gas dipisahkan oleh jarak yang cukup jauh (asumsi 1), maka gas dapat dikompresi/ditekan dengan mudah untuk menempati volume yang lebih kecil. Hukum Boyle. Tekanan yang diberikan oleh gas merupakan hasil dari tumbukan molekul-molekulnya dengan dinding wadah. Laju tumbukan, atau jumlah tumbukan molekuler dengan dinding per detik, sebanding dengan besar kerapatan (yaitu, jumlah molekul per satuan volume) dari gas. Penurunan volume gas dengan jumlah tertentu meningkatkan besar kerapatan dan selanjutnya laju tumbukannya. Untuk alasan ini, tekanan gas berbanding terbalik dengan volume yang didudukinya; sebagai penurunan volume, tekanan meningkat dan sebaliknya. Hukum Charles. Karena energi kinetik rata-rata molekul gas sebanding dengan temperatur mutlak sampel (asumsi 4), kenaikan temperatur akan meningkatkan energi kinetik rata-rata. Akibatnya, molekul akan bertumbukan dengan dinding wadah lebih sering dan dengan dampak yang lebih besar jika gas dipanaskan, dengan demikian tekanan akan meningkat. Volume gas akan mengembang hingga tekanan gas seimbang dengan tekanan eksternal konstan (lihat Gambar 5.7).
K i m i a D a s a r 1 | 194
Hukum Avogadro. Kita sudah ditunjukkan bahwa tekanan gas secara langsung sebanding dengan kerapatan dan temperaturnya. Karena massa gas berbanding lurus dengan jumlah mol (n) gas, maka dapat dinyatakan kerapatan dengan n/V. Sehingga, 𝑛 𝑃∞ 𝑇 𝑉
Untuk dua gas, 1 dan 2, kita tuliskan 𝑃1 ∞
𝑛1 𝑇1 𝑛1 𝑇1 = 𝐶 𝑉1 𝑉1
𝑃2 ∞
𝑛2 𝑇2 𝑛2 𝑇2 = 𝐶 𝑉2 𝑉2
di mana C adalah konstanta kesebandingan. Dengan demikian, untuk dua gas di bawah kondisi tekanan, volume, dan temperatur yang sama (yaitu, bila P1 = P2, T1 = T2, dan V1 = V2), maka n1 = n2, yang merupakan pernyataan matematika hukum Avogadro. Hukum Dalton tentang Tekanan parsial. Jika molekul tidak menarik atau menolak satu sama lain (asumsi 3), maka tekanan yang diberikan oleh salah satu jenis molekul tidak dipengaruhi oleh kehadiran gas lain. Akibatnya, tekanan total yang diberikan adalah jumlah tekanan masing-masing gas. Distribusi Kecepatan Molekul Teori kinetik gas memungkinkan kita untuk menyelidiki gerak molekul secara lebih rinci. Andaikan kita memiliki sejumlah besar molekul gas, katakanlah, 1 mol, dalam sebuah wadah. Selama kita menjaga temperatur tetap konstan, energi kinetik rata-rata dan kecepatan kuadrat rata-rata akan tetap tidak berubah seiring berjalannya waktu. Seperti yang Anda duga, gerakan molekul benar-benar acak dan tak terduga. Pada suatu saat tertentu, berapa banyak molekul yang bergerak pada kecepatan tertentu? Untuk menjawab pertanyaan ini Maxwell menganalisis perilaku molekul gas pada temperatur yang berbeda. Gambar 5.15 (a) menunjukkan kurva distribusi kecepatan Maxwell untuk gas nitrogen pada tiga temperatur yang berbeda. Pada temperatur tertentu, kurva distribusi memberitahu kita jumlah molekul yang bergerak pada kecepatan tertentu. Puncak dari setiap kurva mewakili kecepatan yang paling mungkin, yaitu, kecepatan molekul dengan jumlah terbesar. Perhatikan bahwa kecepatan yang paling mungkin semakin meningkat dengan meningkatnya temperatur (pergeseran puncak ke arah kanan). Selain itu, kurva juga mulai datar dengan meningkatnya temperatur, yang menunjukkan bahwa semakin banyaknya jumlah molekul yang bergerak dengan kecepatan yang lebih besar. Gambar 5.15 (b) menunjukkan distribusi kecepatan dari tiga gas pada temperatur yang sama. Perbedaan dalam kurva dapat dijelaskan dengan mencatat bahwa rata-rata molekul ringan bergerak lebih cepat daripada yang lebih berat.
K i m i a D a s a r 1 | 195
Gambar 5.15 (a) Distribusi kecepatan untuk gas nitrogen pada tiga temperatur yang berbeda. Pada temperatur yang lebih tinggi, lebih banyak molekul yang bergerak pada kecepatan yang lebih cepat. (b) Distribusi kecepatan untuk tiga gas pada 300 K. Pada temperatur tertentu, rata-rata molekul ringan bergerak lebih cepat.
Kecepatan Akar Rata-rata Kuadrat Rata-rata seberapa cepat molekul bergerak pada temperatur T? Salah satu cara untuk memperkirakan kecepatan molekul adalah menghitung kecepatan akar rata-rata kuadrat (urms), yang merupakan kecepatan molekul rata-rata. Salah satu hasil dari teori kinetik gas adalah bahwa energi kinetik total satu mol gas apapun sama dengan 3/2RT. Sebelumnya, kita melihat bahwa energi kinetik rata-rata satu molekul adalah 1/2mu2 sehingga kita dapat menuliskan NA(½mū2) = 3/2RT dimana NA adalah bilangan Avogadro dan m adalah massa satu molekul. Karena NAm = Mr, dimana Mr adalah massa molar, persamaan ini dapat disusun kembali untuk memberikan 3𝑅𝑇 ū2 = 𝑀𝑟 Dengan mengambil akar kuadrat dari kedua sisi memberikan 3𝑅𝑇
√ū2 = 𝑢𝑟𝑚𝑠 = √ 𝑀
𝑟
(5.16)
Persamaan (5.16) menunjukkan bahwa kecepatan akar rata-rata kuadrat dari gas meningkat dengan akar kuadrat dari temperatur (dalam kelvin). Karena Mr muncul dalam penyebut, maka semakin berat gas, semakin lambat gerakan molekulnya. Jika kita mengganti 8,314 J/K.mol untuk R (lihat Lampiran 1) dan mengkonversi massa molar ke kg/mol, maka urms akan dihitung dalam meter per detik (m/s).
K i m i a D a s a r 1 | 196 CONTOH 5.9 Hitung kecepatan akar rata-rata kuadrat atom helium dan molekul nitrogen dalam m/s pada 25°C. Strategi Untuk menghitung kecepatan akar rata-rata kuadrat kita perlu Persamaan (5.16). Apa satuan yang harus kita gunakan untuk R dan Mr supaya urms akan dinyatakan dalam m/s? Solusi Untuk menghitung urms, satuan R harus 8,314 J/K.mol dan, karena 1 J = 1 kg m2/s2, massa molar harus dalam kg/mol. Massa molar He adalah 4,003 g/mol, atau 4,003 × 10-3 kg/ mol. Dari Persamaan (5.16), 3RT 𝑢𝑟𝑚𝑠 = √ Mr J
= √
3 (8,314 . mol) (298 K) K
4,003 × 10−3 kg/mol
= √1,86 × 106 J/kg
Menggunakan faktor konversi 1 J = 1 kg m2/s2 kita mendapatkan
𝑢𝑟𝑚𝑠 = √1,86 × 106 kg. m2 kg −1 s 2 = √1,86 × 106 m2 s 2 = 𝟏, 𝟑𝟔 × 𝟏𝟎𝟑 𝐦/𝐬 Prosedurnya sama untuk N2, dimana massa molarnya 28,02 g/mol, atau 2,802 × 10-2 kg/mol sehingga kita tulis J
𝑢𝑟𝑚𝑠
= √
3 (8,314 . mol) (298 K) K
2,802 × 10−2 kg/mol
= √2,65 × 105 m2 s 2 = 𝟓𝟏𝟓 𝐦/𝐬
Cek Karena pada He adalah gas yang ringan, hubungan kita harap akan lebihdengan cepat dibandingkan Perhitungan Contoh 5.9 lebih memiliki yangbergerak menarik komposisi N2. Sebuah cara cepat untuk memeriksa jawaban adalah catat bahwa perbandingan dari nilai urms atmosfer bumi. Tidak seperti Jupiter, bumi tidak memiliki jumlah yang cukupdua banyak 3 (1,36 ×atau 10 helium /515 ~ 2,6) harus sama Mengapa dengan akar dari Sebuah perbandingan hidrogen di atmosfernya. halkuadrat ini terjadi? planetmassa yang molar lebih N2 terhadap He, yaitu, ~ 2,6. gaya tarik gravitasi yang lebih lemah untuk molekul√28/4 kecil dari Jupiter, bumi memiliki molekul Sebuahakar perhitungan cukup sederhana menunjukkan bahwa untuk Latihanringan. Hitung kecepatan rata-rata kuadrat molekul klorin dalam m/s pada 20°C. melarikan diri medan gravitasi bumi, molekul harus memiliki suatu kecepatan melarikan diri sama atau lebih besar dari 1,1 × 104 m/s. Karena kecepatan rata-rata helium jauh lebih besar dari molekul molekul nitrogen atau oksigen, atom helium lebih
K i m i a D a s a r 1 | 197
cepat melarikan diri dari atmosfer bumi ke angkasa luar. Akibatnya, hanya sejumlah kecil helium yang ada di atmosfer kita. Di sisi lain, Jupiter, dengan massa sekitar 320 kali lebih besar daripada bumi, mempertahankan gas berat maupun ringan di atmosfernya. Difusi dan Efusi Gas Difusi Gas Gambaran langsung dari gerakan acak diperlihatkan oleh difusi, campuran bertahap dari satu molekul gas dengan molekul lain berdasarkan sifat kinetiknya. Terlepas dari kenyataan bahwa kecepatan molekul yang sangat besar, proses difusi memakan waktu yang relatif lama hingga selesai. Sebagai contoh, ketika botol larutan amonia pekat dibuka di salah satu ujung bangku lab, dibutuhkan beberapa waktu sebelum seseorang di ujung bangku bisa mencium baunya. Alasannya adalah bahwa molekul mengalami banyak tumbukan sambil bergerak dari satu ujung bangku ke ujung yang lain, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.16. Dengan demikian, difusi gas selalu terjadi secara bertahap, dan tidak langsung seperti kecepatan molekul yang diperkirakan. Selain itu, karena kecepatan akar rata-rata kuadrat gas cahaya lebih besar dari gas yang lebih berat (lihat Contoh 5.9), gas yang lebih ringan akan menyebar melalui ruang tertentu lebih cepat daripada gas yang lebih berat. Gambar 5.17 menggambarkan difusi gas. Pada tahun 1832 ahli kimia Skotlandia Thomas Graham menemukan bahwa di bawah kondisi temperatur dan tekanan yang sama, laju difusi untuk gas berbanding terbalik dengan akar kuadrat massa molarnya. Pernyataan ini, sekarang dikenal sebagai hukum difusi Graham, dinyatakan secara matematis sebagai 𝑟1 𝑟2
𝑀
= √ 𝑟2 𝑀 𝑟1
(5.17)
dimana r1 dan r2 adalah tingkat difusi gas 1 dan 2, dan 𝑀𝑟 1 dan 𝑀𝑟 2 masing-masing adalah massa molar mereka.
Gambar 5.16 Jalan yang ditempuh oleh molekul gas tunggal. Setiap perubahan arah merupakan tabrakan dengan molekul lain.
K i m i a D a s a r 1 | 198
Gambar 5.17 Sebuah gambaran difusi gas. Gas NH3 (dari botol yang mengandung amonia berair) yang bergabung dengan gas HCl (dari botol yang mengandung asam klorida) untuk membentuk NH 4Cl padat. Karena NH3 lebih ringan maka akan berdifusi lebih cepat, padatan NH4Cl pertama kali muncul dekat botol HCl (di sebelah kanan).
Efusi gas Sedangkan difusi adalah suatu proses dimana satu gas secara bertahap bercampur dengan gas lainnya, efusi adalah proses dimana gas di bawah tekanan lolos dari satu kompartemen wadah lain dengan melewati lubang kecil. Gambar 5.18 menunjukkan efusi gas ke dalam ruang hampa. Meskipun efusi berbeda dari difusi di alam, tingkat efusi gas memiliki bentuk yang sama seperti hukum difusi Graham [lihat persamaan (5.17)]. Sebuah balon karet helium mengempis cepat daripada satu udara penuh karena laju efusi melalui pori-pori karet lebih cepat untuk atom helium yang lebih ringan daripada molekul udara. Secara industri, efusi gas digunakan untuk memisahkan isotop uranium dalam bentuk 235UF6 gas dan 238UF6. Dengan menundukkan gas ke banyak tahap efusi, para ilmuwan dapat memperoleh isotop 235U yang sangat tinggi, yang digunakan dalam pembuatan bom atom selama Perang Dunia II.
Gambar 5.18 Efusi gas. Molekul gas bergerak dari daerah bertekanan tinggi (kiri) ke tekanan rendahsatu melalui lubang jarum.
K i m i a D a s a r 1 | 199 CONTOH 5.10 Suatu gas yang mudah terbakar hanya terdiri dari karbon dan hidrogen ditemukan keluar melalui penghalang berpori dalam 3,50 menit. Di bawah kondisi temperatur dan tekanan yang sama, dibutuhkan volume yang sama dari gas klorin dalam 7,34 menit untuk keluar melalui penghalang yang sama. Hitung massa molar gas yang tidak diketahui, dan perkirakan kemungkinan gas ini. Strategi Tingkat difusi adalah jumlah molekul melewati penghalang berpori dalam waktu tertentu. Semakin lama waktu yang dibutuhkan, semakin lambat lajunya. Oleh karena itu, angka ini berbanding terbalik dengan waktu yang dibutuhkan untuk difusi. Persamaan (5.17) sekarang dapat ditulis sebagai 𝑟1 /𝑟2 = 𝑡2 /𝑡1 = √𝑀𝑟 2 /𝑀𝑟 1 , dimana t1 dan t2 adalah waktu masing-masing untuk efusi gas 1 dan 2. Solusi Dari massa molar Cl2, kita menulis 3,50 menit 𝑀𝑟 = √ 7,34 menit 70,90 g/mol
di mana Mr adalah massa molar gas yang diketahui. Pemecahan untuk Mr, kita memperoleh
3,50 menit
𝑀𝑟 = (
7,34 menit
2
) × 70,90 g/mol = 𝟏𝟔, 𝟏 𝐠/𝐦𝐨𝐥
Karena massa molar karbon adalah 12,01 g dan hidrogen adalah 1,008 g, maka gas tersebut adalah gas metana (CH4). Cek Karena gas lebih ringan keluar lebih cepat dari gas berat, massa molar gas yang tidak diketahui harus lebih kecil dibandingkan dengan gas klor. Memang, massa molar dari metana (16,04 g) kurang dari massa molar gas klor (70,90 g). REVIEW KONSEP Jika 0,50Dibutuhkan mol H2 (g) 192 dans1,0 molgas Heyang (g) dibandingkan temperatur dan tekanan Latihan untuk tidak diketahuipada keluar melalui dinding berporistandar, dan 84 syang untuk mana dari jumlah berikut akan sama satu sama lain? (a) laju efusi, (b) kecepatan molekul rata-rata, (c) volume yang sama gas N2 keluar pada temperatur dan tekanan yang sama. Berapakah massa molar gas energi kinetik rata-rata, (d) volume. yang tidak diketahui?
5.7 Penyimpangan Perilaku Ideal Hukum gas dan teori kinetik molekul menganggap bahwa molekul dalam keadaan gas tidak melakukan gaya, baik menarik atau menolak, satu sama lain. Asumsi lainnya adalah bahwa volume molekul yang kecil diabaikan dibandingkan dengan wadahnya. Suatu gas yang memenuhi kedua kondisi tersebut dikatakan menunjukkan perilaku yang ideal. Meskipun kita dapat mengasumsikan bahwa gas nyata berperilaku seperti gas ideal, kita tidak bisa mengharapkan mereka untuk melakukannya dalam semua kondisi. Sebagai
K i m i a D a s a r 1 | 200 contoh, tanpa gaya antarmolekul, gas tidak bisa mengembun untuk membentuk cairan. Pertanyaan penting adalah: Dalam kondisi apa gas kemungkinan besar akan menunjukkan perilaku tak ideal? Gambar 5.19 menunjukkan PV/RT diplot terhadap P untuk tiga gas nyata dan gas ideal pada temperatur tertentu. Grafik ini menyediakan pengujian terhadap perilaku gas ideal. Menurut persamaan gas ideal (untuk 1 mol gas), PV/RT sama dengan 1, terlepas dari tekanan gas yang sebenarnya. (Ketika n = 1, PV = nRT menjadi PV = RT, atau PV/RT = 1) Untuk gas nyata, ini benar hanya pada tekanan yang cukup rendah (≤ 5 atm); penyimpangan yang signifikan terjadi sejalan dengan peningkatan tekanan. Gaya tarik menarik antara molekul berkerja pada jarak yang relatif pendek. Pada tekanan atmosfer, molekul-molekul dalam gas terpisah jauh dan gaya tarik menariknya diabaikan. Pada tekanan tinggi, kerapatan gas meningkat; molekul lebih dekat satu sama lain. Gaya antarmolekul kemudian cukup signifikan untuk mempengaruhi gerakan molekul, dan gas tidak akan berperilaku ideal.
Gambar 5.19 Plot dari PV/RT terhadap P dari 1 mol gas pada 0°C. Untuk 1 mol gas ideal, PV/RT adalah sama dengan 1, tidak peduli berapa tekanan dari gas. Untuk gas nyata, kita amati berbagai penyimpangan dari idealitas pada tekanan tinggi. Pada tekanan yang sangat rendah, semua gas menunjukkan perilaku yang ideal, yaitu, harga PV/RT-nya mendekati 1 saat P mendekati nol.
Cara lain untuk mengamati perilaku tak ideal gas adalah dengan penurunan temperatur. Pendinginan gas menurunkan energi kinetik rata-rata molekul, yang dapat dimengerti bahwa molekul yang gerakannya terhalang, memerluka upaya untuk meloloskan diri dari saling tarik-menarik di antara mereka sendiri. Untuk mempelajari gas nyata secara seksama, maka, kita perlu memodifikasi persamaan gas ideal, dengan mempertimbangkan perhitungan gaya antarmolekul dan volume molekul tertentu. Seperti analisis pertama yang dibuat oleh fisikawan Belanda JD van der Waals pada tahun 1873. Selain secara matematis sederhana, perlakuan van der Waals yang memberikan kita interpretasi perilaku gas nyata pada tingkat molekuler. Perhatikan pendekatan molekul tertentu ke arah dinding wadah (Gambar 5.20). Gaya tarik menarik antarmolekul yang diberikan oleh tetangganya cenderung melemahkan dampak yang dibuat oleh molekul ke dinding. Efek keseluruhan adalah tekanan gas menjadi rendah dari yang kita harapkan untuk gas ideal. Van der Waals menyarankan
K i m i a D a s a r 1 | 201
bahwa tekanan yang dikenakan oleh gas ideal, Pideal, berkaitan dengan pengukuran secara eksperimen; yaitu, tekanan yang diamati, Pobs, oleh persamaan 𝑃𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 𝑃𝑛𝑦𝑎𝑡𝑎 +
tekanan teramati
𝑎𝑛2 𝑉2 suku koreksi
di mana a adalah konstanta dan n dan V masing-masing adalah jumlah mol dan volume gas. Syarat koreksi untuk tekanan (an2/V2) dapat dipahami sebagai berikut. Gaya antarmolekul yang menimbulkan perilaku nonideal tergantung pada seberapa sering setiap dua molekul saling berdekatan. Jumlah "pertemuan" tersebut meningkat seiring dengan kuadrat dari jumlah molekul per satuan volume, (n/V)2, karena kehadiran masing-masing dua molekul di wilayah tertentu sebanding dengan n/V sehingga a adalah hanya konstanta kesebandingan. Kuantitas Pideal adalah tekanan yang akan kita mengukur jika tidak ada gaya tarik menarik antarmolekul.
Gambar 5.20 Pengaruh gaya antarmolekul pada tekanan yang diberikan oleh gas. Kecepatan molekul yang bergerak menuju dinding wadah (bola merah) berkurang oleh gaya tarik menarik yang diberikan oleh tetangganya (bidang abu-abu). Akibatnya, dampak dari molekul ini membuat dinding tidak sama besar seperti jika tidak ada gaya antarmolekul yang hadir. Secara umum, tekanan gas yang diukur lebih rendah dari tekanan gas yang dikenakan jika berperilaku secara ideal.
Koreksi lain menyangkut volume yang ditempati oleh molekul gas. Dalam persamaan gas ideal, V merupakan volume wadah. Namun, setiap molekul menempati volume intrinsik tertentu, meskipun kecil, sehingga volume efektif gas menjadi (V - nb), dimana n adalah jumlah mol gas dan b adalah sebuah konstanta. Suku nb menyatakan volume yang ditempati oleh mol n gas. Setelah diperhitungkan koreksi untuk tekanan dan volume, kita dapat menulis ulang persamaan gas ideal sebagai berikut:
K i m i a D a s a r 1 | 202 (𝑃 +
𝑎𝑛2 𝑉2
) (𝑉 − 𝑛𝑏) = 𝑛𝑅𝑇
tekanan terkoreksi
(5.18)
volume terkoreksi
Persamaan (5.18), mengaitkan P, V, T, dan n untuk gas non ideal, dikenal sebagai persamaan van der Waals. Konstanta Van der Waals a dan b dipilih untuk memberikan kemungkinan kesesuaian terbaik antara Persamaan (5.18) dan perilaku yang diamati dari gas tertentu. Tabel 5.3 merinci nilai dari a dan b untuk sejumlah gas. Nilai a menunjukkan seberapa kuat molekul dari suatu jenis gas menarik satu sama lain. Kita melihat bahwa atom helium memiliki daya tarik terlemah satu sama lain, karena helium memiliki nilai a terkecil. Ada juga hubungan yang kasar antara ukuran molekul dan b. Umumnya, semakin besar molekul (atau atom), b lebih besar, tetapi hubungan antara b dan ukuran molekul (atau atom) tidaklah sederhana. Tabel 5.3 Gas He
Konstanta van der Waals pada Beberapa Gas a b 0,034 0,0237
Ne
0,211
0,0171
Ar
1,34
0,0322
Kr
2,32
0,0398
Xe
4,19
0,0266
H2
0,244
0,0266
N2
1,39
0,0391
O2
1,36
0,0318
Cl2
6,49
0,0562
CO2
3,59
CH4
2,25
0,0427 0,0428
CCl4
20,4
0,138
NH3
4,17
0,0371
H 2O
5,46
0,0305
K i m i a D a s a r 1 | 203 CONTOH 5.11 Diberikan 2,75 mol CO2 yang menempati 4,70 L pada 53°C, hitung tekanan gas (dalam atm) menggunakan (a) persamaan gas ideal dan (b) persamaan van der Waals. Strategi Untuk menghitung tekanan CO2 gunakan persamaan gas ideal, kita lanjutkan seperti pada Contoh 5.2. Apa koreksi yang dibuat dengan persyaratan tekanan dan volume dalam persamaan van der Waals?
Solusi a) Kita memiliki data berikut: V = 4,70 L T = (53 + 273) K = 326 K n = 2,75 mol R = 0,0821 L.atm/K.mol Substitusikan nilai tersebut ke dalam persamaan gas ideal, kita menulis 𝑛𝑅𝑇 𝑃= 𝑉 (2,75 mol)(0,0821 L. atm/K. mol)(326 K) = 4,70 𝐿 = 𝟏𝟓, 𝟕 𝐚𝐭𝐦 b) Kita perlu Persamaan (5.18). Hal ini pertama untuk menghitung istilah koreksi dalam Persamaan (5.18) secara terpisah. Dari Tabel 5.3, kita memiliki a = 3,59 atm.L2/mol2 b = 0,0427 L/mol sehingga suku koreksi untuk tekanan dan volume adalah (3,59 atm. L2 /mol2 )(2,75 mol)2 𝑎𝑛2 = = 1,23 atm 2 𝑉 (4,70 L)2 nb = (2,75 mol)(0,0427 L/mol) = 0,117 L
Akhirnya, substitusikan nilai tersebut dalam persamaan van der Waals, kita memiliki (P + 1,23 atm)(4,70 L – 0,117 L) = (2,72 mol)(0,0821 L.atm/K.mol)(326 K) P = 14,8 atm REVIEW KONSEP Cek Berdasarkan pemahaman Anda tentang perilaku gas non ideal, adalah masuk akal bahwa tekanan dihitung menggunakan van der yang Waalsmenyebabkan harus lebih kecil dari yang menggunakan persamaan Berapa kondisi tekananpersamaan dan temperatur penyimpangan besar dari perilaku gas ideal? Kenapa? ideal? Latihan Menggunakan data yang ditampilkan pada Tabel 5.3, Hitung tekanan yang diberikan oleh 4,37 mol gas klor dalam volume 2,45 L pada 38°C. Bandingkan tekanan dengan yang dihitung dengan menggunakan persamaan gas ideal.
K i m i a D a s a r 1 | 204 PERSAMAAN KUNCI P1V1 = P2V2
(5.2)
Hukum Boyle, untuk perhitungan perubahan tekanan atau volume
𝑉1 𝑉2 = 𝑇1 𝑇2
(5.4)
Hukum Charles, untuk perhitungan perubahan temperature atau volume
𝑃1 𝑃2 = 𝑇1 𝑇2
(5.6)
Hukum Charles, untuk perhitungan perubahan temperature atau tekanan
V = k4n
(5.7)
Hukum Avogadro, P dan T konstan
PV = nRT
(5.8)
Persamaan gas ideal
𝑃1 𝑉1 𝑃2 𝑉2 = 𝑛1 𝑇1 𝑛2 𝑇2
(5.9)
Kombinasi persamaan gas ideal untuk keadaan awal dan akhir
𝑃1 𝑉1 𝑃2 𝑉2 = 𝑇1 𝑇2
(5.10)
Untuk perhitungan perubahan tekanan, temperature, atau volume saat n konstan
𝑑=
𝑃𝑀𝑟 𝑅𝑇
(5.11)
Untuk perhitungan kerapatan atau massa molar
𝑋𝑖 =
𝑛𝑖 𝑛𝑇
(5.13)
Definisi fraksi mol
Pi = XiPT
(5.14)
Hukum Dalton tentang tekanan parsial. Untuk perhitungan tekanan parsial
(5.16)
Untuk perhitungan kecepatan akar rata-rata kuadrat molekul gas
(5.17)
Hukum difusi dan efusi Graham
(5.18)
Persamaan van der Waals. Untuk perhitungan tekanan gas nonideal
𝑢𝑟𝑚𝑠 = √
3𝑅𝑇 𝑀𝑟
𝑀𝑟 𝑟1 = √ 2 𝑟2 𝑀𝑟 1 (𝑃 +
𝑎𝑛2 ) (𝑉 − 𝑛𝑏) = 𝑛𝑅𝑇 𝑉2
K i m i a D a s a r 1 | 205
RINGKASAN FAKTA DAN KONSEP
K i m i a D a s a r 1 | 206 1. Dalam kondisi atmosfer, sejumlah unsur berwujud gas: H2, N2, O2, O3, F2, Cl2, dan unsur golongan VIIIA (gas mulia). 2. Gas mengerahkan tekanan karena molekulnya bergerak bebas dan bertumbukan dengan permukaan jalannya. Satuan tekanan gas termasuk milimeter air raksa (mmHg), torr, pascal, dan atmosfer. Satu atmosfer sama dengan 760 mmHg, atau 760 torr. 3. Hubungan tekanan-volume gas ideal diatur oleh hukum Boyle: Volume berbanding terbalik terhadap tekanan (pada T dan n konstan). Hubungan temperatur-volume gas ideal digambarkan oleh Charles dan hukum Gay-Lussac: Volume sebanding dengan temperatur (pada P dan n konstan). Nol mutlak (-273,15°C) adalah temperatur terendah yang dicapai secara teoritis. Pada skala temperatur Kelvin, 0 K adalah nol mutlak. Dalam semua perhitungan hukum gas, temperatur harus dinyatakan dalam kelvin. Hubungan jumlah-volume gas ideal dijelaskan oleh hukum Avogadro: Dengan volume gas sama mengandung jumlah mol gas yang sama (pada T dan P tetap). 4. Persamaan gas ideal, PV = nRT, menggabungkan hukum Boyle, Charles, dan Avogadro. Persamaan ini menggambarkan perilaku gas ideal. 5. Hukum Dalton tentang tekanan parsial menyatakan bahwa dalam campuran gas masing-masing gas mengerahkan tekanan yang sama karena sendiri dan menduduki volume yang sama. 6. Teori kinetik molekular, cara matematis menggambarkan perilaku molekul gas, didasarkan pada asumsi sebagai berikut: Molekul gas dipisahkan oleh jarak yang jauh lebih besar daripada dimensi mereka sendiri, memiliki massa namun volumenya diabaikan, berada dalam gerakan konstan, dan sering betumbukan satu sama lain. Molekul-molekulnya tidak menarik atau menolak satu sama lainn. Kurva distribusi kecepatan Maxwell menunjukkan seberapa banyak molekul gas bergerak pada
berbagai kecepatan pada temperatur tertentu. Seiring dengan peningkatan temperatur, lebih banyak molekul bergerak dengan kecepatan yang lebih besar. 7. Dalam difusi, dua gas secara bertahap bercampur satu sama lain. Pada efusi, molekul gas bergerak melalui lubang kecil di bawah tekanan. Kedua proses tersebut diatur oleh hukum matematika yang sama. 8. Persamaan Van der Waals merupakan modifikasi dari persamaan gas ideal yang memperhitungkan prilaku non ideal gas nyata. Ini mengoreksi dua fakta: molekul gas nyata mengerahkan gaya satu sama lain dan memiliki volume. Konstanta Van der Waals ditentukan secara eksperimental untuk masing-masing gas.
Kimia Dasar 1 |1
KATA KUNCI Barometer Difusi Efusi Energi kinetik Fraksi mol Hukum Avogadro Hukum Charles dan Gay-Lussac
Hukum Dalton tentang tekanan parsial Joule (J) Kecepatan akar ratarata kuadrat (urms) Konstanta gas Manometer Newton (N) Nol mutlak
Pascal (Pa) Persamaan gas ideal Persamaan van der Waals Skala temperatur Kelvin Skala temperatur mutlak Tekanan Tekanan atmosfer
Tekanan atmosfer standar (1 atm) Tekanan dan temperatur standar (STP) Tekanan parsial Teori kinetik molekul
Kimia Dasar 1 |2 PERTANYAAN DAN SOAL Zat yang Berwujud Gas Pertanyaan Mengulang 5.1 Sebutkan lima unsur dan lima senyawa yang berwujud gas pada temperatur kamar. 5.2 Terangkan karakteristik fisik gas. Tekanan Gas Pertanyaan Mengulang 5.3 Definisikan tekanan dan satuan umum untuk tekanan. 5.4 Jelaskan bagaimana barometer dan manometer dapat digunakan untuk mengukur tekanan gas. 5.5 Mengapa merkuri lebih cocok digunakan dalam barometer daripada air? 5.6 Jelaskan mengapa ketinggian merkuri dalam barometer tidak tergantung pada luas penampang tabung. Apakah barometer masih bekerja jika tabung itu miring dengan sudut tertentu, katakanlah 15° (lihat Gambar 5.2)? 5.7 Manakah yang lebih mudah, minum air dengan sedotan di puncak atau di kaki Mt. Everest? Jelaskan. 5.8 Apakah tekanan atmosfer di pertambangan yang terletak 500 m di bawah permukaan laut lebih besar atau lebih kecil dari 1 atm? 5.9 Apa perbedaan antara gas dan uap? Pada 25°C, manakah dari zat berikut dalam fasa gas yang lebih tepat disebut gas dan yang lebih tepat disebut uap: molekul nitrogen (N2) ataukah merkuri? 5.10 Jika jarak maksimum air yang mungkin terbawa dengan baik oleh pompa hisap adalah 34 kaki (10,3 m), bagaimana kemungkinan untuk mendapatkan air dan minyak dari ratusan meter di bawah permukaan bumi? 5.11 Mengapa jika pembacaan barometer di satu bagian dunia, menjadi naik di tempat lain? 5.12 Mengapa astronot harus memakai pakaian pelindung ketika mereka berada di permukaan bulan? Soal 5.13 Konversikan 634 mmHg menjadi atm, torr, dan kPa. 5.14 Tekanan atmosfer di puncak Mt. McKinley adalah 606 mmHg pada hari tertentu. Berapa tekanan dalam atm dan kPa? Hukum Gas Pertanyaan Mengulang 5.15 Nyatakan hukum gas dalam bentuk kata-kata dan juga dalam bentuk persamaan: hukum Boyle, hukum Charles, hukum Avogadro. Dalam setiap kasus, tunjukkan kondisi dimana hukum berlaku, dan berikan satuan untuk setiap besaran dalam persamaan.
Kimia Dasar 1 |3
5.16 Jelaskan mengapa helium mengembang dalam balon dan naik di udara. Asumsikan bahwa temperatur tetap konstan. Soal 5.17 Suatu sampel gas dari zat yang didinginkan pada tekanan konstan. Manakah dari diagram berikut ini yang paling menujukkan situasi tersebut jika temperatur: (a) di atas titik didih zat, dan (b) di bawah titik didih tetapi di atas titik beku zat?
(a)
(b)
(c)
(d)
5.18 Perhatikan sampel gas berikut dalam silinder yang dilengkapi dengan piston bergerak. Awalnya ada mol n gas pada temperatur T, tekanan P, dan volume V.
Pilih silinder yang ditunjukkan berikut yang menyatakan dengan benar gas setelah setiap perubahan berikut. (1) Tekanan pada piston adalah tiga kali lipat pada n dan T konstan. (2) Temperatur dua kali lipat pada n dan P konstan. (3) n mol gas lain yang ditambahkan pada T dan P konstan. (4) T adalah dibelah dua dan tekanan pada piston dikurangi menjadi seperempat dari nilai aslinya.
(a)
(b)
(c)
5.19 Suatu gas yang menempati volume 725 mL pada tekanan 0,970 atm mengembang pada temperatur konstan sampai tekanannya mencapai 0,541 atm. Berapa volume akhirnya? 5.20 Pada 46°C sampel gas amonia memberikan tekanan sebesar 5,3 atm. Berapa tekanannya ketika volume gas dikurangi menjadi sepersepuluh (0,10) dari nilai aslinya pada temperatur yang sama? 5.21 Volume gas adalah 5,80 L, diukur pada 1,00 atm. Berapa tekanan gas dalam mmHg jika volume diubah menjadi 9,65 L? (Temperatur tetap konstan.)
Kimia Dasar 1 |4 5.22 Sebuah sampel udara menempati 3,8 L saat tekanan 1,2 atm. (a) Berapakah volume yang ditempati pada 6,6 atm? (b) Berapa tekanan yang diperlukan dalam rangka memampatkannya menjadi 0,075 L? (Temperatur dijaga konstan.) 5.23 36,4 L gas metana dipanaskan dari 25°C menjadi 88°C pada tekanan konstan. berapa volume akhir gas? 5.24 Di bawah kondisi tekanan konstan sampel gas hidrogen awalnya pada 88°C dan 9,6 L didinginkan sampai volume akhirnya 3,4 L. Berapa temperatur akhirnya? 5.25 Amoniak terbakat dalam gas oksigen membentuk oksida nitrat (NO) dan uap air. Berapa volume NO yang diperoleh dari satu volume amoniak pada temperatur dan tekanan yang sama? 5.26 Molekul klorin dan molekul florin bergabung membentuk produk gas. Di bawah kondisi temperatur dan tekanan yang sama ditemukan bahwa satu volume Cl2 bereaksi dengan tiga volume F2 menghasilkan dua volume produk. Apa rumus produk tersebut? Persamaan Gas Ideal Pertanyaan Mengulang 5.27 Rincilah karakteristik gas ideal. 5.28 Tuliskan persamaan gas ideal dan juga nyatakan dalam kata-kata. Berikan satuan untuk setiap istilah dalam persamaan. 5.29 Berapa temperatur dan tekanan standar (STP)? Apa arti penting dari STP sehubungan dengan volume 1 mol gas ideal? 5.30 Mengapa kerapatan gas jauh lebih rendah dibandingkan dengan cairan atau padatan di bawah kondisi atmosfer? Apa satuan yang biasanya digunakan untuk menyatakan kerapatan gas? Soal 5.31 Suatu sampel gas nitrogen disimpan dalam wadah bervolume 2,3 L dan pada temperatur 32°C memberikan tekanan 4,7 atm. Hitung jumlah mol gas yang hadir. 5.32 Diberikan 6,9 mol gas karbon monoksida dalam wadah bervolume 30,4 L, berapa tekanan gas (dalam atm) jika temperaturnya 62°C? 5.33 Berapa volume 5,6 mol gas sulfur heksafluorida (SF6) yang akan ditempati jika temperatur dan tekanan gas adalah 128°C dan 9,4 atm? 5.34 Sejumlah gas tertentu pada 25°C dan pada tekanan 0,800 atm berada dalam wadah kaca. Misalkan kapal dapat menahan tekanan sebesar 2,00 atm. Seberapa tinggi Anda bisa menaikkan temperatur gas tanpa meledakkan kapal? 5.35 Sebuah balon berisi gas yang memiliki volume 2,50 L pada 1,2 atm dan 25°C diperbolehkan naik ke stratosfer (sekitar 30 km di atas permukaan bumi), di mana temperatur dan tekanan masing-masing adalah 223°C dan 3,00 × 10-3 atm. Hitung volume akhir balon. 5.36 Temperatur 2,5 L gas yang awalnya pada STP meningkat menjadi 250°C pada volume konstan. Hitung tekanan akhirl gas dalam atm.
Kimia Dasar 1 |5
5.37 Tekanan dari 6,0 L gas ideal dalam wadah fleksibel menurun menjadi sepertiga dari tekanan aslinya, dan temperatur mutlaknya menurun satu-setengahnya. Berapa volume akhir gas? 5.38 Suatu gas berevolusi selama fermentasi glukosa (pembuatan anggur) memiliki volume 0,78 L ketika diukur pada 20,1°C dan 1,00 atm. berapa volume gas ini pada temperatur fermentasi 36,5°C dan tekanan 1,00 atm? 5.39 Suatu gas ideal pada awalnya 0,85 atm dan 66 ° C dapat mengembang sampai volume, tekanan, dan temperatur akhirnya masing-masing adalah 94 mL, 0,60 atm, dan 45°C. Berapa volume awalnya? 5.40 Volume gas pada STP adalah 488 mL. Hitung volumenya pada 22,5 atm dan 150°C. 5.41 Suatu gas pada 772 mmHg dan 35,0°C menempati volume 6,85 L. Hitung volumenya pada STP. 5.42 Es kering adalah karbon dioksida padat. 0.050 g es kering ditempatkan dalam 4,6 L bejana kosong pada 30°C. Hitung tekanan di dalam bejana setelah semua es kering telah berubah menjadi gas CO2. 5.43 Gas bervolume 0,280 L pada STP dan memiliki berat 0,400 g. Hitung massa molar gas. 5.44 Sejumlah gas seberat 7,10 g pada 741 torr dan 44°C menempati volume 5,40 L. Berapa massa molarnya? 5.45 Molekul-molekul ozon ada di stratosfer menyerap banyak radiasi berbahaya dari matahari. Biasanya, temperatur dan tekanan ozon di stratosfer masing-masing adalah 250 K dan 1,0 × 10-3 atm. Berapa banyak molekul ozon yang hadir dalam 1,0 L udara pada kondisi ini? 5.46 Dengan mengasumsikan udara mengandung 78 persen N2, 21 persen O2, dan 1 persen Ar, yang semuanya dalam volume, berapa banyak molekul dari setiap jenis gas yang ada dalam 1,0 L udara pada STP? 5.47 Sebuah bejana 2,10L mengandung 4,65 g gas pada 1,00 atm dan 27,0°C. (a) Hitung kerapatan gas dalam gram per liter. (b) Berapakah massa molar gas? 5.48 Hitung kerapatan gas hidrogen bromida (HBr) dalam gram per liter pada 733 mmHg dan 46°C. 5.49 Sebuah anestesi tertentu mengandung persen massa, 64,9 persen C, 13,5 persen H, dan 21,6 persen O. Pada 120°C dan 750 mmHg, 1,00 L senyawa gas memiliki berat 2,30 g. Apa rumus molekul senyawa tersebut? 5.50 Suatu senyawa memiliki rumus empiris SF4. Pada 20°C, 0.100 g senyawa gas menempati volume 22,1 mL dan memberikan tekanan 1,02 atm. Apa rumus molekul nya? 5.51 Pelarutan 3,00 g sampel murni kalsium karbonat dalam asam klorida menghasilkan 0,656 L karbon dioksida (diukur pada 20,0°C dan 792 mmHg). Hitung persen massa kalsium karbonat dalam sampel. Nyatakan beberapa asumsi yang digunakan. 5.52 Hitung massa dalam gram hidrogen klorida yang dihasilkan ketika 5,6 L molekul hidrogen diukur pada STP bereaksi dengan molekul gas klorin berlebih.
Kimia Dasar 1 |6 5.53 Sejumlah 0,225 g logam M (massa molar = 27,0 g/mol) membebaskan 0,303 L molekul hidrogen (diukur pada 17°C dan 741 mmHg) dari kelebihan asam klorida. Simpulkan dari data ini persamaan yang sesuai dan tuliskan rumus untuk oksida dan sulfat dari M. 5.54 Senyawa P dan F dianalisis sebagai berikut: Pemanasan 0,2324 g senyawa dalam wadah 378 cm3 berubah seluruhnya menjadi gas, yang memiliki tekanan 97,3 mmHg pada 77°C. Kemudian gas dicampur dengan larutan kalsium klorida, yang ternyata mengubah seluruh F menjadi 0,2631 g CaF2. Tentukan rumus molekul dari senyawa tersebut. Hukum Dalton tentang Tekanan Parsial Pertanyaan Mengulang 5.55 Definisikan hukum Dalton tentang tekanan parsial dan fraksi mol. Apakah fraksi mol memiliki satuan? 5.56 Suatu sampel udara hanya berisi gas nitrogen dan gas oksigen yang masingmasing tekanan parsialnya adalah 0,80 atm dan 0,20 atm. Hitung tekanan total dan fraksi mol gas. Soal 5.57 Campuran gas mengandung CH4, C2H6, dan C3H8. Jika tekanan totalnya 1,50 atm dan jumlah mol gas saat ini adalah 0,31 mol untuk CH4, 0,25 mol untuk C2H6, dan 0,29 mol untuk C3H8, Hitung tekanan parsial akhir gas. 5.58 Sebuah labu 2,5 L pada 15 ° C mengandung campuran dari tiga gas, N2, He, dan Ne, pada tekanan parsial 0,32 atm untuk N2, 0,15 atm untuk He, dan 0,42 atm untuk Ne. (a) Hitung tekanan total campuran. (b) Hitung volume dalam liter pada STP yang ditempati oleh He dan Ne jika N2 akan dihapus secara selektif. 5.59 Udara kering di dekat permukaan laut memiliki komposisi volume berikut: N2, 78.08 persen; O2, 20,94 persen; Ar, 0,93 persen; CO2, 0,05 persen. Tekanan atmosfer adalah 1,00 atm. Hitung (a) tekanan parsial masing-masing gas dalam atm dan (b) konsentrasi masing-masing gas dalam mol per liter pada 0°C. (Petunjuk: Karena volume sebanding dengan jumlah mol yang hadir, fraksi mol gas dapat dinyatakan sebagai perbandingan volume pada temperatur dan tekanan yang sama.) 5.60 Campuran gas helium dan neon dikumpulkan dia atas air pada 28,0°C dan 745 mmHg. Jika tekanan parsialyakin helium adalah 368 mmHg, berapa tekanan parsial neon? (Tekanan uap air pada 28°C = 28,3 mmHg.) 5.61 Perhatikan tiga wadah gas berikut. Semuanya memiliki volume yang sama dan pada temperatur yang sama. (a) Wadah mana yang memiliki fraksi mol terkecil dari gas A (bola biru)? (b) Wadah mana yang memiliki tekanan parsial tertinggi dari gas B (bola hijau)?
Kimia Dasar 1 |7
(i)
(ii)
(iii)
5.62 Volume kotak di sebelah kanan adalah dua kali lipat dari kotak di sebelah kiri. Kotak-kotak mengandung atom helium (merah) dan molekul hidrogen (hijau) pada temperatur yang sama. (a) Kotak mana yang memiliki tekanan total lebih tinggi? (b) Kotak mana yang memiliki tekanan parsial helium yang lebih rendah?
5.63 Sepotong logam natrium bereaksi sempurna dengan air sebagai berikut: 2Na(s) + 2H2O(l) → 2NaOH(aq) + H2(g) Gas hidrogen yang dihasilkan dikumpulkan di atas permukaan air pada 25,0°C. Volume gas adalah 246 mL diukur pada 1,00 atm. Hitung jumlah gram natrium yang digunakan dalam reaksi. (Tekanan uap air pada 25°C = 0,0313 atm.) 5.64 Sampel logam seng dibiarkan bereaksi sepenuhnya dengan asam klorida berlebih: Zn(s) + 2HCl(aq) → 2ZnCl2(aq) + H2(g) Gas hidrogen yang dihasilkan dikumpulkan di atas permukaan air pada 25,0°C dengan menggunakan pengaturan yang sama dengan yang ditunjukkan dalam Gambar 5.14. Volume gas adalah 7.80 L, dan tekanan atmosfer adalah 0,980 atm. Hitung jumlah logam seng dalam gram yang dikonsumsi dalam reaksi. (Tekanan uap air pada 25°C = 23,8 mmHg.) 5.65 Helium dicampur dengan gas oksigen untuk penyelam laut dalam. Hitung persen volume gas oksigen dalam campuran jika penyelam harus menenggelamkannya hingga kedalaman di mana tekanan totalnya 4,2 atm. Tekanan parsial oksigen dipertahankan pada 0,20 atm pada kedalaman ini. 5.66 Sampel gas amonia (NH3) terdekomposisi sempurna menjadi gas nitrogen dan gas hidrogen di atas wol besi yang dipanaskan. Jika tekanan totalnya 866 mmHg, hitung tekanan parsial N2 dan H2. Teori Kinetik Molekul Gas Pertanyaan Mengulang 5.67 Apa asumsi dasar teori kinetik molekul gas? 5.68 Apakah gerak termal? 5.69 Apa yang kurva distribusi kecepatan Maxwell ceritakan pada kita? Apakah teori Maxwell berlaku untuk sampel yang terdiri dari 200 molekul? Jelaskan.
Kimia Dasar 1 |8 5.70 Tuliskan pernyataan untuk kecepatan akar rata-rata kuadrat untuk gas pada temperatur T. Definisikan setiap istilah dalam persamaan dan tunjukkan satuan yang digunakan dalam perhitungan. 5.71 Manakah dari dua pernyataan berikut yang benar? (a) Panas dihasilkan oleh tumbukan molekul gas terhadap satu sama lain. (b) Bila gas dipanaskan, molekul akan lebih sering bertumbukan satu sama lain. 5.72 Tiga senyawa gas yang mengandung florin diilustrasikan berikut. Manakah dari tiga gas yang akan memiliki kecepatan akar rata-rata kuadrat tertinggi? Manakah dari tiga gas yang akan memiliki energi kinetik rata-rata tertinggi pada temperatur tertentu?
(a)
(b)
(c)
Soal 5.73 Bandingkan kecepatan akar rata-rata kuadrat O2 dan UF6 pada 65°C. 5.74 Temperatur di stratosfer adalah -23°C. Hitung kecepatan root-mean-square N2, O2, dan molekul O3 di wilayah ini. 5.75 Jarak rata-rata yang dilalui oleh suatu molekul yang bertumbukan beruntun disebut jarak bebas rata-rata. Untuk sejumlah tertentu gas, bagaimana jarak bebas rata-rata gas tergantung pada (a) kerapatan, (b) temperatur pada volume konstan, (c) tekanan pada temperatur konstan, (d) volume pada temperatur konstan, dan (e) ukuran atom? 5.76 Pada temperatur tertentu kecepatan enam molekul gas dalam sebuah wadah adalah 2,0 m/s, 2,2 m/s, 2,6 m/s, 2,7 m/s, 3,3 m/s, dan 3,5 m/s. Hitung kecepatan akar rata-rata kuadrat dan kecepatan rata-rata molekul. Kedua nilai rata-rata dekat satu sama lain, tetapi nilai akar rata-rata kuadratnya selalu lebih besar. Mengapa? Penyimpangan Perilaku Ideal Pertanyaan Mengulang 5.77 Berikan dua bukti yang menunjukkan bahwa gas tidak berperilaku ideal dalam semua kondisi. 5.78 Di bawah keadaan apa saja yang membuat gas diharapkan untuk berperilaku paling ideal? (a) temperatur tinggi dan tekanan rendah, (b) temperatur tinggi dan tekanan tinggi, (c) temperatur rendah dan tekanan tinggi, (d) temperatur rendah dan tekanan rendah. 5.79 Tuliskan persamaan van der Waals untuk gas nyata. Jelaskan dengan jelas makna istilah korektif untuk tekanan dan volume.
Kimia Dasar 1 |9
5.80 Temperatur gas nyata yang diperbolehkan mengembang ke ruang hampa biasanya turun. Jelaskan. Soal 5.81 Gunakan data yang ditampilkan pada Tabel 5.3, tekanan parsial yang diberikan oleh 2,50 mol CO2 dalam 5,00 L volume pada 450 K. Bandingkan tekanannya dengan yang dihitung menggunakan persamaan gas ideal. 5.82 Pada 27°C, 10,0 mol gas dalam wadah 1,50 L mengerahkan tekanan sebesar 130 atm. Apakah ini suatu gas ideal? SOAL TAMBAHAN 5.83 Diskusikan fenomena berikut tentang hukum gas: (a) tekanan dalam ban mobil meningkat di hari yang panas, (b) "letusan kecil" dari kantong kertas, (c) pengembangan balon udara karena naik di udara, (d) suara keras terdengar ketika bola lampu dihancurkan. 5.84 Nitrogliserin, sebuah peledak, terurai menurut persamaan: 4C3H5(NO3)3(s) → 12CO2(g) + 10H2O(g) + 6N2(g) + O2(g) Hitung volume total gas yang dihasilkan ketika dikumpulkan pada 1,2 atm dan 25°C dari 2,6 × 102 g nitrogliserin. Berapa tekanan parsial gas pada kondisi ini? 5.85 Rumus empiris suatu senyawa adalah CH. Pada 200°C, 0,145 g senyawa ini menempati 97,2 mL pada tekanan 0,74 atm. Apa rumus molekul senyawa tersebut? 5.86 Ketika amonium nitrit (NH4NO2) dipanaskan, maka terdekomposisi membentuk gas nitrogen. Sifat ini digunakan untuk mengembangkan beberapa bola tenis. (a) Tulis persamaan setara untuk reaksi. (b) Hitung jumlah (dalam gram) dari NH4NO2 yang diperlukan untuk mengembang bola tenis ke volume 86,2 mL pada 1,20 atm dan 22°C. 5.87 Persen massa bikarbonat (HCO3-) dalam produk Alka-Seltzer adalah 32,5 persen. Hitung volume CO2 yang dihasilkan (dalam mililiter) pada 37°C dan 1,00 atm ketika seseorang memakan 3,29 g tablet. (Petunjuk:. Reaksi antara HCO3- dan asam HCl terjadi di lambung) 5.88 Titik didih nitrogen cair adalah -196°C. Atas dasar informasi ini sendiri, menurut Anda apakah nitrogen termasuk gas ideal? 5.89 Dalam proses metalurgi pemurnian nikel, logam pertama kali dikombinasikan dengan karbon monoksida untuk membentuk tetracarbonylnickel, yang merupakan gas pada 43°C: Ni(s) + 4CO(g) → Ni(CO)4(g) Reaksi ini memisahkan nikel dari padatan lainnya. (a) Mulai dengan 86,4 g Ni, hitung tekanan Ni(CO)4 dalam wadah bervolume 4,00 L. (Asumsikan reaksi di atas berlangsung sempurna.) (b) Pada pemanasan sampel lebih lanjut di atas 43°C, diamati bahwa tekanan gas meningkat jauh lebih cepat dari yang diperkirakan berdasarkan persamaan gas ideal. Jelaskan.
K i m i a D a s a r 1 | 10 5.90 Tekanan parsial karbon dioksida bervariasi tergantung pada musim. Dapatkah tekanan parsial di belahan bumi utara lebih tinggi di musim panas atau musim dingin? Jelaskan. 5.91 Seorang dewasa yang sehat mengembuskan napas sekitar 5,0 × 102 mL campuran gas setiap bernafas. Hitung jumlah molekul dalam volume ini pada 37°C dan 1,1 atm. Sebutkan komponen utama dari campuran gas tersebut. 5.92 Natrium bikarbonat (NaHCO3) disebut baking soda karena ketika dipanaskan, ia melepaskan gas karbon dioksida, yang menyebabkan mengembangnya kue, adonan kacang, dan roti. (a) Hitung volume (dalam liter) dari CO2 yang dihasilkan dengan memanaskan 5,0 g NaHCO3 pada 180°C dan 1,3 atm. (b) Amonium bikarbonat (NH4HCO3) juga telah digunakan untuk tujuan yang sama. Sarankan satu keuntungan dan salah satu kelemahan dari menggunakan NH4HCO3 bukan NaHCO3 untuk pembuatan kue. 5.93 Sebuah barometer yang memiliki luas penampang sebesar 1,00 cm2 di permukaan laut mengukur tekanan 76,0 cm air raksa. Tekanan yang diberikan oleh kolom air raksa adalah sama dengan tekanan yang diberikan oleh semua udara pada 1 cm2 dari permukaan bumi. Mengingat bahwa kerapatan raksa adalah 13,6 g/mL, dan jari-jari rata-rata bumi adalah 6371 km, Hitung massa total atmosfer bumi dalam kilogram. (Petunjuk: Luas permukaan bola adalah 4r2, di mana r adalah jari-jari bola.) 5.94 Beberapa pembersih saluran komersial mengandung dua komponen: natrium hidroksida dan serbuk aluminium. Bila campuran tersebut dituangkan pada saluran yang tersumbat, reaksi berikut yang terjadi: 2NaOH(aq) + 2Al(s) + 6H2O(l) → 2NaAl(OH)4(aq) + 3H2(g) Panas yang dihasilkan dalam reaksi ini membantu mencairkan hambatan seperti minyak, dan gas hidrogen yang dilepaskan melonggarkan padatan yang menyumbat saluran pembuangan. Hitung volume akhir H2 yang terbentuk pada STP jika 3,12 g Al diperlakukan dengan NaOH berlebih. 5.95 Volume sampel gas HCl murni adalah 189 mL pada 25°C dan 108 mmHg. Jumlah itu terlarut sempurna dalam sekitar 60 mL air dan dititrasi dengan larutan NaOH, 15,7 mL larutan NaOH dibutuhkan untuk menetralkan HCl. Hitung molaritas larutan NaOH. 5.96 Propana (C3H8) terbakar dalam oksigen menghasilkan gas karbon dioksida dan uap air. (a) Tulis persamaan setara untuk reaksi ini. (b) Hitung jumlah liter karbon dioksida diukur pada STP yang bisa dihasilkan dari 7,45 g propana. 5.97 Perhatikan peralatan berikut. Ketika sejumlah kecil air dimasukkan ke dalam termos dengan menekan bola dari penetes obat-obatan, air disemprotkan keluar ke atas dari tabung kaca panjang. Jelaskan pengamatan ini. (Petunjuk: Gas hidrogen klorida larut dalam air.)
K i m i a D a s a r 1 | 11 Gas HCl H2O
Rubber bulb H2O
5.98 Nitrat oksida (NO) bereaksi dengan molekul oksigen sebagai berikut: 2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g) Awalnya NO dan O2 dipisahkan seperti yang ditunjukkan pada gambar. Bila katup dibuka, reaksi sempurna cepat terjadi. Tentukan sisa gas akhir dan hitung tekanan parsialnya. Asumsikan bahwa temperatur tetap konstan pada 25°C.
NO
4,00 L pada 0,500 atm
O2
2,00 L pada 1,00 atm
5.99 Alat yang ditunjukkan dalam diagram dapat digunakan untuk mengukur kecepatan atom dan molekul. Andaikan seberkas atom logam diarahkan pada sebuah silinder berputar dalam ruang hampa. Sebuah lubang kecil di silinder memungkinkan atom untuk menyerang daerah sasaran. Karena silinder berputar, atom bergerak dengan kecepatan berbeda yang akan menyerang target di posisi yang berbeda pula. Pda suatu saat, suatu lapisan logam akan mengendap di daerah sasaran, dan variasi ketebalan ditemukan sesuai dengan distribusi kecepatan Maxwell. Dalam satu eksperimen ditemukan bahwa pada temperatur 850°C beberapa atom bismuth (Bi) menghantam target pada 2,80 cm dari bintik tempat tepat di seberang celah. Diameter silinder adalah 15,0 cm dan berputar pada 130 putaran per detik. (a) Hitung kecepatan (m/s) di mana target bergerak. (Petunjuk:. Keliling lingkaran diberikan oleh 2r, di mana r adalah jari-jari) (b) Hitunglah waktu (dalam detik) yang diperlukan target untuk bergerak 2,80 cm. (c) Tentukan kecepatan atom Bi. Bandingkan hasil Anda pada (c) dengan urms dari Bi pada 850°C. Berikan komentar terhadap perbedaan ini.
K i m i a D a s a r 1 | 12
5.100 Oksida asam seperti karbon dioksida bereaksi dengan oksida basa seperti kalsium oksida (CaO) dan barium oksida (BaO) untuk membentuk garam (karbonat logam). (a) Tulis persamaan yang menyatakan kedua reaksi tersebut. (b) seorang siswa menempatkan 4,88 g gabungan campuran BaO dan CaO dalam labu 1,46 L yang mengandung gas karbon dioksida pada 35°C dan 746 mmHg. Setelah reaksi selesai, ia menemukan bahwa tekanan CO2 telah turun menjadi 252 mmHg. Hitung komposisi persen campuran. 5.101 Mesin menjalankan mobil menghasilkan karbon monoksida (CO), gas beracun, pada laju sekitar 188 g CO per jam. Sebuah mobil dibiarkan menganggur pada 20°C di garasi berventilasi buruk dengan panjang 6,0 m, lebar 4,0 m, dan tinggi 2,2 m. (a) Hitung laju produksi CO dalam mol per menit. (b) Berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk membangun konsentrasi mematikan CO 1000 ppmv (parts per million by volume)? 5.102 Air memasuki paru-paru berakhir di kantung-kantung kecil yang disebut alveoli. Dari alveoli oksigen berdifusi ke dalam darah. Jari-jari rata-rata alveoli adalah 0,0050 cm dan udara di dalamnya mengandung 14 persen oksigen. Dengan asumsi bahwa tekanan di alveoli adalah 1,0 atm dan temperatur 37°C, hitung jumlah molekul oksigen di salah satu alveoli. (Petunjuk: Volume bola berjari-jari r adalah 4/3r3.) 5.103 Dikatakan bahwa setiap napas yang kita ambil, rata-rata, menagandung molekul yang pernah dihembuskan oleh Wolfgang Amadeus Mozart (1.756-1.791). Perhitungan ini menunjukkan validitas dari pernyataan ini. (a) Hitung jumlah molekul di atmosfer. (Petunjuk: Gunakan hasil pada Soal 5.93 dan 29,0 g/mol sebagai massa molar udara.) (b) Dengan asumsi volume setiap bernafas (masuk atau keluar) adalah 500 mL, hitung jumlah molekul yang dihembuskan napas pada 37°C, yang merupakan temperatur tubuh manusia. (c) Jika jangka hidup Mozart adalah persis 35 tahun, berapa jumlah molekul yang dihembuskan pada periode tersebut? (Mengingat bahwa rata-rata orang bernafas 12 kali per menit.) (d) Hitung fraksi di atmosfer dihembuskan oleh Mozart. Berapa banyak molekul Mozart yang kita hirup dengan setiap menghirup udara? Bulatkan jawaban Anda hingga satu angka penting. (e) Rincilah tiga asumsi penting dalam perhitungan ini. 5.104 Di bawah kondisi temperatur dan tekanan yang sama, manakah gas-gas yang akan berperilaku paling ideal: Ne, N2, atau CH4? Jelaskan. 5.105 Berdasarkan pengetahuan Anda tentang teori kinetik gas, turunkan hukum difusi Graham [Persamaan (5.17)].
K i m i a D a s a r 1 | 13
5.106 6.11 g sampel dari paduan Cu-Zn bereaksi dengan asam HCl menghasilkan gas hidrogen. Jika gas hidrogen memiliki volume 1,26 L pada 22°C dan 728 mmHg, berapa persen Zn dalam paduan? (Petunjuk: Cu tidak bereaksi dengan HCl.) 5.107 Perkirakan jarak (dalam nanometer) antara molekul uap air pada 100°C dan 1,0 atm. Asumsikan perilaku ideal. Ulangi perhitungan untuk air cair pada 100°C, mengingat bahwa kerapatan air adalah 0,96 g/cm3 pada temperatur tersebut. Komentari hasil Anda. (Asumsikan molekul air menjadi bola dengan diameter 0,3 nm.) (Petunjuk: Pertama hitung kerapatan molekul air Selanjutnya, konversi kerapatan jumlah kerapatan linear, yaitu, jumlah molekul dalam satu arah.) 5.108 Seorang supervisor gudang mengukur isi drum 25,0 galon aseton yang sebagian diisi pada hari ketika temperatur 18,0°C dan tekanan atmosfer 750 mmHg, dan menemukan bahwa 15,4 galon pelarut tersisa. Setelah menyegel erat drum, asisten menjatuhkan drum sambil membawa ke lantai atas laboratorium organik. Drum itu penyok dan volume internal menurun menjadi 20,4 galon. Berapa tekanan total di dalam drum setelah kecelakaan itu? Tekanan uap aseton pada 18,0°C adalah 400 mmHg. (Petunjuk: Saat drum itu disegel, tekanan di dalam drum sama dengan jumlah tekanan udara dan aseton, adalah sama dengan tekanan atmosfer) 5.109 Litium hidrida bereaksi dengan air sebagai berikut: LiH(s) + H2O(l) → LiOH(aq) + H2(g) Selama Perang Dunia II, pilot AS membawa tablet LiH. Ketika terjadi pendaratan darurat di laut, LiH akan bereaksi dengan air laut dan memenuhi pelampung mereka dengan gas hidrogen. Berapa gram yang LiH diperlukan untuk mengisi 4,1-L pelampung pada 0,97 atm dan 12°C? 5.110 Suatu sampel gas yang dibahas dalam Soal 5.38 ditemukan keluar melalui penghalang berpori dalam 15,0 menit. Di bawah kondisi temperatur dan tekanan yang sama, dibutuhkan N2 12,0 menit untuk efusi melalui penghalang yang sama. Hitung massa molar gas dan perkirakan kemungkinan apa gas itu. 5.111 Nikel membentuk senyawa gas dari rumus Ni(CO)x. Berapa nilai x yang diberikan di bawah kondisi temperatur dan tekanan yang sama untuk metana (CH4) berefusi 3,3 kali lebih cepat daripada senyawa tersebut? SOAL KHUSUS 5.112 Terapkan pengetahuan Anda tentang teori kinetik gas untuk situasi ini: a) Apakah sebuah molekul tunggal memiliki temperatur? b) Dua labu ukur V1 dan V2 (V2 > V1) berisi sejumlah atom helium yang sama pada temperatur yang sama. (i) Bandingkan kecepatan akar rata-rata kuadrat (rms) dan kecepatan rata-rata kinetik dari atom helium (He) dalam botol. (ii) Bandingkan frekuensi dan gaya manakah dari atom He yang bertumbukan dengan dinding wadah. c) Sejumlah atom He yang sama ditempatkan dalam dua botol volume yang sama pada temperatur T1 dan T2 (T2 > T1). (i) Bandingkan kecepatan rms dari
K i m i a D a s a r 1 | 14 atom dalam dua botol. (ii) Bandingkan frekuensi dan gaya manakah dari atom He yang bertumbukan dengan dinding wadah. d) Dengan jumlah yang sama, atom He dan neon (Ne) ditempatkan dalam dua labu dengan volume yang sama dan temperaturnya adalah 74°C. Komentari validitas dari pernyataan berikut: (i) Kecepatan rms He adalah sama dengan Ne. (ii) energi kinetik rata-rata dari dua gas adalah sama. (iii) kecepatan rms dari setiap atom He adalah 1,47 × 103 m/s. 5.113 Mengacu pada plot pada Gambar 5.19, (a) mengapa plot gas tercelup sebelum naik? (b) Mengapa semua gas berkumpul menjadi 1 pada P sangat rendah? (c) apakah maksud dari intersep pada garis gas ideal? Berapakah intersep berarti bahwa gas telah menjadi gas ideal? 5.114 Mengacu pada Gambar 5.15, kita melihat bahwa kecepatan maksimum masingmasing pada plot distribusi kecepatan disebut kecepatan propbabilitas (Ump) karena itu adalah kecepatan yang dimiliki dengan jumlah terbesar dari molekul. Diberikan 𝑢𝑚𝑝 = √2𝑅𝑇/𝑀𝑟 . (a) Bandingkan ump dengan urms untuk nitrogen pada 25°C. (b) Diagram berikut menunjukkan kurva distribusi kecepatan Maxwell untuk gas ideal pada dua temperatur T1 dan T2 yang berbeda. Hitung nilai T2.
5.115 Gunakan teori kinetik gas untuk menjelaskan mengapa udara panas naik. 5.116 Salah satu cara untuk mendapatkan pemahaman fisik tentang b dalam persamaan van der Waals adalah untuk menghitung “excluded volume”. Asumsikan jarak terdekat antara dua atom berdekatan yang mirip adalah jumlah jari-jarinya (2r). (a) Hitung volume di sekitar setiap atom di mana pusat atom lain tidak dapat terserap. (b) Dari hasil Anda pada (a), hitung “excluded volume” untuk 1 mol atom, dengan b konstan. Bagaimana volumenya jika dibandingkan dengan jumlah volume dari 1 mol atom? 5.117 5,00 mol sampel gas NH3 disimpan dalam wadah 1,92 L pada 300 K. Jika persamaan van der Waals diasumsikan untuk memberikan jawaban yang benar untuk tekanan gas, hitung persen kesalahan yang dibuat dalam penggunaan persamaan gas ideal untuk menghitung tekanan.
K i m i a D a s a r 1 | 15
5.118 Kecepatan akar rata-rata kuadrat oksida gas tertentu adalah 493 m/s pada 20°C. Apa rumus molekul senyawa tersebut? 5.119 Dalam 2,00 menit, 29,7 mL He berefusi melalui lubang kecil. Di bawah kondisi tekanan dan temperatur yang sama, 10,0 mL campuran CO dan CO2 berefusi melalui lubang dalam jumlah waktu yang sama. Hitung komposisi persen volume campuran.
