Massa Atom

REVIEW OF CONCEPTS

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.

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 rata-rata atom karbon lebih dekat ke 12 amu dari pada 13 amu.

6

C

12 , 01

Nomor Atom No mor Massa

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, 𝐶𝑢63₂₉ (69,09%) dan 𝐶𝑢₂₉65 (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, 𝐵10₅ (19,78%) dan 𝐵11₅ (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, 𝐻𝑒₂3 dan 𝐻𝑒₂4 , 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

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

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

6,022 × 1023𝑎𝑡𝑜𝑚 𝐶 − 12^{= 1,993 × 10} −23𝑔

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 𝑔𝑟𝑎𝑚⁼ 12 𝑎𝑚𝑢 1 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝐶 − 12^× 1 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝐶 − 12 1,993 × 10−23𝑔 ^{= 6,022 × 10} 23𝑎𝑚𝑢 𝑔⁄ Sehingga, 1 𝑔 = 6,022 × 10²³𝑎𝑚𝑢 dan 1 𝑎𝑚𝑢 = 1,661 × 10⁻²⁴𝑔

Contoh ini menunjukkan bahwa bilangan Avogadro dapat digunakan untuk mengkonversi satuan massa atom (amu) dalam gram dan sebaliknya.

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 Massa Unsur (m) Jumlah Mol Unsur (n)

Jumlah Atom Unsur (N)

m/M nM

nNA

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

45,9 𝑔 𝑍𝑛 × ^{1 𝑚𝑜𝑙 𝑍𝑛}

65,39 𝑔 𝑍𝑛^{= 0,702 𝑚𝑜𝑙 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

Bilangan Avogadro adalah kunci untuk langkah kedua. Kita tahu bahwa 1 𝑚𝑜𝑙 = 6,022 × 1023𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑘𝑒𝑙 (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.

Kita dapat menggabungkan beberapa faktor konversi tersebut dalam satu langkah sebagai berikut : 25,1 𝑔 𝑆 × ^{1 𝑚𝑜𝑙 𝑆} 32,07 𝑔 𝑆^× 6,022 × 10²³ 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝑆 1 𝑚𝑜𝑙 𝑆 ^{= 4,71 × 10} 23 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝑆