IKATAN KIMIA DAN STRUKTUR MOLEKULAR
KEGIATAN BELAJAR EVALUASI LEMBAR ASESMEN
C. Konsep Mol
3. Stoikiometri reaksi kimia
Reaksi kimia merupakan perubahan zat akibat berinteraksi dengan zat lain atau karena pengaruh lingkungan sehingga menjadi zat yang baru. Zat yang bereaksi disebut pereaksi (reaktan) dan zat yang terjadi disbut hasil reaksi (produk). Reaksi kimia dapat dituliskan persamaannya asalkan rumus kimia reaktan diketahui. Rumus reaktan dan hasil reaksi dilengkapi dengan simbul-simbul di belakang rumus zat dalam tanda kurung untuk menyatakan wujud (fasa)nya yaitu (s) untuk fasa padat, () untuk fasa cair, (g) untuk fasa gas. Untuk menyatakan larutan zat dalam dalam air, digunakan tanda (aq) dibelakang rumus zat. Masing-masing simbul fasa itu disingkat dari kata asing, solid; liquid; gas; dan aqueous solution. Jika rumus zat dalam persamaan reaksi tidak disertai dengan tanda fasa, berarti reaksi berlangsung dalam larutan air. Jadi persamaan reaksi kimia menyatakan rumus zat kimia yang bereaksi dan zat kimia yang dihasilkan disertai fasenya masing-masing. Sebagai contoh reaksi pembakaran gas metana menghasilkan gas karbon dioksida dan air, persamaannya dapat dituliskan sebagi berikut ini.
CH4(g) + O2(g) CO2(g) + H2O(l)
Penulisan persamaan reaksi beserta fasa zat-zat yang bereaksi dengan cara seperti, CH4(g) + O2(g) CO2(g) + H2O(l), tidak lazim lagi dilakuan.
Pada reaksi kimia berlaku hukum kekekalan zat. Oleh karena itu jumlah atom reaktan dan hasil reaksi harus sama. Penyamaan (penyeimbangan atau penyetaraan) jumlah atom ini dapat dilakukan dengan menyesuaikan koefisien persamaan reaksi yaitu angka di depan rumus reaktan dan hasil reaksi. Reaksi sederhana seperti di atas dilakukan dengan cara pemeriksaan antara jumlah atom pereaksi dengan hasil reaksi (inspection method). Aturan
Atom/ion, yang menyusun senyawa, disamakan jumlahnya dengan mengatur angka di depan rumus zatyang terlibatdalam reaksi (= koefisien persaman reaksi). Hidrogen dan oksigen diseimbaangkan paling akhir. Persamaan reaksi di atas setelah disetarakan menjadi sebagai berikut ini.
CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(l)
Persaman reaksi kimia dengan demikian tidak hanya menyatakan zat apakah yang bereaksi dan terjadi selama reaksi, tetapi menyatakan pula berapa banyak tiap reaktan ambil bagian dalam reaksi serta berapa banyak tiap produk terbentuk. Dengan kata lain persamaan reaksi kimia merupakan uraian perubahan kimia baik secara kualitatif maupun kuantitatif.
Persamaan reaksi di atas menyatakan bahwa satu molekul gas CH4 tepat beraksi dengan 2 molekul gas O2 dan menghasilkan 1 molekul gas CO2 dan 2 molekul H2O murni. Dengan kata lain satu molekul gas CH4 setara (ekivalen) dengan 2 molekul gas O2, setara (ekivalen) dengan 1 molekul gas CO2, dan setara (ekivalen) dengan 2 molekul H2O murni. Kesetaraan atau ekivalensi tersebut dapat dituliskan menggunakan lambang sebagai berikut ini.
1 molekul CH4 2 molekul O2 1 molekul CO2 2 molekul H2O
Mereaksikan 1 molekul CH4 dengan 2 molekul O2 dalam praktek sulit dilakukan. Yang mudah dilakukan adalah mereaksikan sejumlah molekul atau atom yang telah dikenal dengan mol. Jadi kesetaraan (ekivalensi) antara zat pereaksi dan hasil reaksi dalam contoh di atas lebih baik dinyatakan dengan kesetaraan (ekivalensi) mol zat yang bereaksi dan mol zat hasil reaksi. Dengan demikian maka,
1 mol CH4 2 mol O2 1 mol CO2 2 mol H2O
Reaksi kimia dapat digolong-golongkan. Penggolongan ini banyak ragamnya. Salah satu penggolongan reaksi kimia adalah :
a. Reaksi sintesis yaitu pembentukan senyawa dari unsur-unsurnya. Misalnya : Fe(s) + Cl2(g) FeCl2(s)
b. Reaksi metatesis yaitu reaksi pertukaran antar senyawa. Misalnya : Na2CO3(aq) + CaCl2(aq ) CaCO3(s) + 2NaCl(aq)
c. Reaksi penetralan atau reaksi asam-basa.
penerimaan elektron atau reaksi yang mengalami perubahan bilangan oksidasi. Misalnya : K2SO3(aq) + ½ O2(g) K2SO4(aq).
Reaksi-reaksi yang kompleks, yang biasanya berupa reaksi reduksi-oksidasi (redoks) sulit disetarakan dengan cara inspeksi. Untuk menyetarakannya dilakukan cara-cara khusus sesuai dengan konsep reaksi redoks itu yaitu dengan cara setengah reaksi ion elektron (ion electron half-reaction method) dan cara perubahan bilangan oksidasi (change in oxidation number method). Disebut cara setengah reaksi ion electron karena persamaan reaksi redoks untuk menyetarakannya, dipecah menjadi dua, yang masing-masing terdiri dari setengah reaksi oksidasi dan setengah reaksi reduksi.
1). Cara setengah reaksi ion electron (ion electron half-reaction method) Misalnya akan disetarakan persamaan reaksi :
KMnO4(aq) + FeSO4(aq) + H2SO4(aq) → K2SO4(aq) + MnSO4(aq) + Fe2(SO4)3(aq) + H2O(l) Langkah-langkah yang harus diikuti adalah sebagai berikut ini.
Persamaan reaksi diubah menjadi persamaan reaksi ion. Senyawa yang dapat dituliskan sebagai ion-ionnya adalah senyawa yang berupa elektrolit kuat dan mudah larut dalam air. Ion yang dituliskan dalam persamaan reaksi adalah ion yang berperanan dalam reaksi yaitu ion yang tidak sama di kedua sisi persamaan reaksi.
MnO4-(aq) + Fe2+(aq) → Mn2+(aq) + Fe3+(aq)
Persamaan reaksi ion dipecah menjadi 2 persamaan setengah reaksi yaitu setengah reaksi oksidasi dan setengah reaksi reduksi.
MnO4-(aq) → Mn2+(aq)
Fe2+(aq) → Fe3+(aq)
Jumlah atom pada tiap persamaan setengah reaksi disetarakan. Atom oksigen disetarakan dengan menambah H2O bila reaksi berlangsung dalam suasana asam dan atom H yang timbul disetarakan dengan menambahkan ion H+ pada sisi lain dari tanda persamaan reaksi. Bila reaksi berlangsung dalam suasana basa, atom oksigen disetarakan dengan menambahkan ion OH- sebanyak 2 kali yang seharusnya diperlukan dan atom H yang timbul disetarakan dengan menambahkan H2O.
MnO4-(aq) + 8H+(aq) → Mn2+(aq) + H2O(l) Fe2+(aq) → Fe3+(aq)
kedua sisi persamaan reaksi sama.
MnO4-(aq) + 8H+(aq) + 5e-→ Mn2+(aq) + H2O(l) Fe2+(aq) → Fe3+(aq) + 1e
- Jumlah elektron yang dilepas dan diterima pada kedua persamaan setengah reaksi disamakan dengan mengalikan setiap persamaan setengah reaksi dengan suatu faktor dan faktor itu sesuai dengan koefisien persamaan setengah reaksi. Kemudian kedua persamaan setengah reaksi dijumlahkan.
MnO4-(aq) + 8H+(aq) + 5e-→ Mn2+(aq) + H2O(l) (reduksi) (Fe2+(aq) → Fe3+(aq) + 1e-) x 5 (oksidasi) MnO4-(aq) + 8H+(aq) + 5Fe2+(aq) → Mn2+(aq) + 5Fe3+(aq) + H2O(l)
Ion-ion yang tidak berperan dalam reaksi redoks, dimasukkan kembali ke dalam kedua sisi persamaan reaksi, maka reaksi redoks itu telah menjadi setara.
2KMnO4(aq) + 10FeSO4(aq) + 8H2SO4(aq) → K2SO4(aq) + 2MnSO4(aq) + 5Fe2(SO4)3(aq) + 8H2O(l)
2). Cara perubahan bilangan oksidasi (change in oxidation number method)
Bilangan oksidasi (BO atau bilok) dari suatu unsur di dalam suatu senyawa adalah jumlah total elektron yang diperoleh atau dilepas, jika pasangan elektron ikatan dianggap berada pada atom yang lebih elektronegatif, atau dengan kata lain jika senyawa dianggap menjadi senyawa-ion murni. Berdasarkan batasan ini bilangan oksidasi kation dan anion penyusun senyawa ionik sama dengan muatannya.
Berdasar definisi ini maka dapat diketahui bahwa BO atau bilok atom dalam senyawa diperhitungkan berdasarkan elektronegativitas dan muatan atom-atom penyusun senyawa. Bila atom penyusun senyawa elektronegativitasnya sama, maka distribusi (pembagian)
elektron di antara kedua atom dalam senyawa itu sama dan BO atau bilok atom dalam senyawa tak dapat dinyatakan dan yang dapat dinyatakan adalah bilok senyawa itu sama dengan nol. Misalnya, BO H2 = nol; Cl2 = nol.
Bila atom penyusun senyawa elektronegativitasnya tidak sama, maka distribusi (pembagian) elektron di antara kedua atom dalam senyawa itu tidak sama dan dianggap semua elektron ikatan menjadi milik atom yang lebih elektronegatif dan BO atau bilok atom yang lebih elektronegatif berharga negatif sesuai dengan kelebihan elektron yang
Misalnya, BO H dalam HCl = +1 dan BO Cl dalam HCl = -1. (Coba Jelaskan)
BO H dalam H2SO4 = +1, BO O dalam H2SO4 = -8, BO S dalam H2SO4 = +6. (perhatikan bahwa jumlah BO atom-atom penyusun senyawa netral itu = nol).
BO SO42- dalam H2SO4 = -2. BO atau bilok ini sama dengan muatannya.
BO atom-tom dalam Na2SO4 mudah dihitung karena senyawa ini berupa senyawa ion, yang terjadi dari Na+ dan SO42--. Jadi BO Na dalam Na2SO4 = +1, BO SO4 dalam Na2SO4 = -2.
BO O dalam SO42- = -8 dan BO S dalam SO42- = +6 (perhatikan bahwa jumlah BO atom pada ion yang bermuatan sesuai dengan muatannya).
Atom yang tidak terikat atau atom bebas, BO atau biloknya dengan demikian sama dengan nol. Misalnya BO Fe(s) = nol, BO Ne = nol, dsbnya.
BO masing-masing atom pada reaksi : H2(g) + Cl2(g) → 2HCl(g), dapat ditentukan dengan menuliskan harga BO dibawah lambang senyawa sebagai berikut ini.
H2(g) + Cl2(g) → 2H Cl(g) nol nol 2(+1) 2(-1)
Dari reaksi itu dapat diketahui bahwa dalam satu reaksi terjadi penambahan dan pengurangan BO. Reaksi penambahan BO disebut reaksi oksidasi dan reaksi pengurangan BO disebut reaksi reduksi. Reaksi oksidasi dan reduksi yang terjadi bersamaan dalam satu persamaan reaksi disebut reaksi oksidasi-reduksi (redoks). Untuk reaksi di atas H2(g) adalah reduktan dan Cl2(g) adalah oksidan.
Berdasarkan pengertian oksidan dan reduktan itu maka,
agar ion atau molekul dapat berfungsi sebagai oksidan, maka ion atau molekul tersebut harus mempunyai atom yang dapat berada dalam lebih dari satu bilangan oksidasi dan atom di dalam ion atau molekul tersebut bilangan oksidasinya adalah tingkat oksidasi yang lebih tinggi. Kromium mempunyai bilangan oksidasi +6 di dalam Cr2O72- dan bilangan oksidasi +3 di dalam Cr3+. Oleh karena itu Cr2O72- dapat berfungsi sebagai oksidan.
agar suatu ion atau molekul dapat berfungsi sebagai reduktan, harus mengandung atom yang dapat berada dalam lebih dari satu bilangan oksidasi dan atom di dalam ion atau molekul tersebut harus ada dalam bilangan oksidasi terendahnya. Belerang mempunyai
Pengurangan 2 satuan BO Penambahan 2 satuan BO
Bila oksidan dan reduktan berada bersama di dalam larutan, maka reaksi reduksi-oksidasi akan terjadi apabila oksidannya cukup kuat dan reduktannya juga cukup kuat. Oksidan dan reduktan itu dikatakan kuat untuk bereaksi ditentukan oleh kedudukannya dalam tabel potensial reduksi. Zat yang harga potensial reduksinya (E0) lebih besar dari zat yang lain akan bertindak sebagai oksidator. Misalnya, Cr3+(aq) + 3e- → Cr(s) E0 = - 0,74 Volt dan Zn2+(aq) + 2e-→ Zn(s) E0 = -0,76 Volt, bila Cr3+(aq) bereaksi dengan Zn2+, maka Cr3+ akan bertindak sebagai oksidator, sedangkan Zn2+ sebagai reduktor.
Langkah-langkah penyetaraan dengan cara perubahan bilangan oksidasi adalah sebagai berkut ini. Misalnya persamaan reaksi yang akandi setarakan adalah sama dengan persamaan reaksi dengan cara setengah reaksi ion elektron.
KMnO4(aq) + FeSO4(aq) + H2SO4(aq) → K2SO4(aq) + MnSO4(aq) + Fe2(SO4)3(aq) + H2O(l)
Tandai atom-atom dalam setiap senyawa dalam persamaan reaksi itu, yang bilangan oksidasinya mengalami perubahan, dengan cara menghitung BO atom-atom pada setia senyawa secara sepintas. Atom yang bilangan oksidasinya berubah adalah Mn dan Fe.
KMnO4(aq) + FeSO4(aq) + H2SO4(aq) → K2SO4(aq) + MnSO4(aq) + Fe2(SO4)3(aq) + H2O(l) Setarakan jumlah atom yang mengalami perubahan BO dengan memberikan koefisien
persamaan reaksi, kemudian hitung BO atom yang mengalami perubahan BO.
KMnO4(aq) + 2FeSO4(aq) + H2SO4(aq) → K2SO4(aq) + MnSO4(aq) + Fe2(SO4)3(aq) + H2O(l)
+7 +4 +2 +6
Jumlah perubahan BO atom pada setiap rumus zat ditentukan.
KMnO4(aq) + 2FeSO4(aq) + H2SO4(aq) → K2SO4(aq) + MnSO4(aq) + Fe2(SO4)3(aq) + H2O(l)
+7 +4 +2 +6
Pertambahan dan pengurangan BO disamakan dengan mengalikan dengan suatu factor. Faktor perkalian ini dikalikan dengn koefisien persamaan reaksi yang telah ada.
2KMnO4(aq) + (2x5)FeSO4(aq) + H2SO4(aq)→ K2SO4(aq) + 2MnSO4(aq) + 5Fe2(SO4)3(aq) +
H2O(l)
2KMnO4(aq) + 10FeSO4(aq) + H2SO4(aq) → K2SO4(aq) + 2MnSO4(aq) + 5Fe2(SO4)3(aq) + H2O(l) Jumlah atom lain yang tidak mengalami perubahan BO disetarakan dengan cara inspeksi.
Koefisien senyawa yang BOnya berubah tidak boleh diubah lagi.
2KMnO4(aq) + 10FeSO4(aq) + 8H2SO4(aq) → K2SO4(aq) + 2MnSO4(aq) + 5Fe2(SO4)3(aq) + 8H2O(l)
Bertambah 2 satuan BO Berkurang 5 satuan BO
zat yang tepat bereaksi dan hasil reaksi. Angkabanding mol zat yang terlibat dalam reaksi, dapat digunakan sebagai faktor konversi dalam hitungan kimia.
Contoh 5.
Berapa gram H2SO4 diperlukan untuk menetralkan 150 gram NaOH ? Penyelesaian.
Reaksi penetralan : 2NaOH + H2SO4 Na2SO4 + 2H2O
Dari persaman reaksi dapat diketahui bahwa, 2 mol NaOH 1 mol H2SO4.
Untuk menyelesaikan soal tersebut maka gram NaOH harus diubah ke mol NaOH kemudian ke mol H2SO4, dan akhirnya ke gram H2SO4, dengan faktor konversi tertentu sebagaimana diagram berikut ini.
Gram NaOH mol NaOH mol H2SO4 gram H2SO4
Massa H2SO4 = (150 gr NaOH x NaOH gram 40 NaOH mol 1 x NaOH mol 2 SO H mol 1 2 4 x 4 2 4 2 SO H mol 1 SO H gr 98 ) gram = 183,375 gram.
Jika perhitungan kimia menyangkut reaksi yang berwujud gas, maka menurut hukum penyatuan volum (hukum Gay Lussac), memperbolehkan untuk menyatakan koefisien persaman reaksi sebagai angkabanding volum zat-zat yang bereaksi atau angkabanding volum hasil reaksi, pada suhu dan tekanan tetap. Karena menurut hukum Gay Lussac, pada suhu dan tekanan yang sama, angkabanding volum gas-gas pereaksi dan hasil reaksi merupakan bilangan yang bulat dan sederhana. Bilangan bulat dan sederhana itu adalah koefisien persamaan reaksi, yang dalam hitungan kimia digunakan sebagai faktor konversi. Contoh 6.
Berapa liter gas NH3 dapat terjadi dari reaksi 10 liter N2 dengan gas H2 berlebihan, pada suhu dan tekanan sama ?.
Penyelesaian.
Persamaan reaksi : N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) Massa Molar NaOH Koefisien
Persaman reaksi
Massa molar H2SO4
2
N liter 1
Jumlah zat yang terlibat dalam reaksi elektrolisis dan reaksi peluruhan zat radioaktif dapat diselesaikan dengan konsep mol dan persamaan reaksi, tanpa pemakaian rumus-rumus tertentu. Berikut ini conton-contoh soal yang berhubungan dengan hal itu dan juga merupakan contoh penentuan tetapan Avogadro secara eksperimen.
Contoh 7.
Pada elektrolisis larutan perak nitrat dengan listrik sebanyak 641,0 C mengendapkan pada katoda 0,7168 gram perak. Jika muatan satu elektron adalah 1,6021 x 10-19 C, maka hitung jumlah elektron yang diperlukan untuk mengendapkan 1 mol Ag+.
Penyelesaian.
Elektrolisis larutan perak nitrat, AgNO3(aq), maka pada katoda akan terjadi endapan perak, Ag(s), dengan reaksi: Ag+(aq) + 1e → Ag(s). Dari reaksi itu dapat dipahami bahwa setiap satu mol ion Ag+ akan menerima satu mol elektron dan membentuk satu mol endapan Ag.
Massa molar perak = 107,877 gram mol-1.
O,7168 gram Ag = 0,7168 gram Ag x 1
mol gram 877 , 107 1 = 877 , 107 7168 , 0 mol Ag. Jadi 641,0 C mengendapakan 877 , 107 7168 , 0 mol Ag.
Untuk mengendapkan 1 mol Ag diperlukan listrik sebesar : 641,0 C x mol 877 , 107 7168 , 0 1 = 9,644 x 104 C mol-1.
Untuk mengendapkan setiap ion Ag+ memerlukan satu elektron. Jumlah elektron yang diperlukan untuk mengendapkan 1 mol Ag
= 9,646 x 104 C mol-1 x 19 1 elektron 10 6021 , 1 1 C x = 6,021 x 1023 elektron mol-1
Harga ini sama dengan jumlah atom Ag dalam 1 mol dan harga inilah yang merupakan tetapan Avogadro.
