A. HUKUM PERBANDINGAN VOLUM DAN HIPOTESIS AVOGADRO*

Transkripsi

1 Di muka kita telah membahas tentang jenis perubahan materi. Bagian dari Kimia yang membahas hubungan kuantitatif (jumlah) antara zat-zat yang terlibat dalam suatu perubahan kimia atau reaksi kimia dikenal dengan istilah stoikiometri (berasal dari kata stoicheion berarti unsur, dan metron berarti mengukur atau menghitung). Pengukuran dalam Kimia dimulai pada tahun 1790 oleh Lavoisier dan kimiawan lainnya pada saat itu. Pada bagian ini akan dibahas hukum-hukum gas, mol sebagai satuan, penerapan rumus kimia, dan persamaan reaksi dalam perhitungan kimia. A. HUKUM PERBANDINGAN VOLUM DAN HIPOTESIS AVOGADRO* Sekitar awal abad 19, perilaku atau sifat gas menjadi perhatian para ilmuwan. Mereka menemukan beberapa gejala dari gas-gas yang tidak sesuai dengan teori atom Dalton yang menyatakan atom-atom dapat bergabung membentuk molekul dengan perbandingan bilangan bulat sederhana. Pembuktian teori atom Dalton dimulai pada tahun 1808 ketika Gay-Lussac melaporkan tentang penemuannya, dan kemudian diperbaiki pada tahun 1811 oleh Avogadro melalui hipotesisnya. 1. Hukum Perbandingan Volum Joseph Gay-Lussac (Perancis) pada tahun 1808 berdasarkan pada laporan hasil eksperimennya, mengemukakan bahwa: gas hidrogen + gas klor gas hidrogen klorida 1 volum 1 volum 2 volum gas hidrogen + gas oksigen uap air 2 volum 1 volum 2 volum gas hidrogen + gas nitrogen gas amoniak 3 volum 1 volum 2 volum Eksperimen Gay Lussac di atas dapat di artikan bahwa, bila 1 L gas hidrogen direaksikan dengan 1 L gas klor akan dihasilkan 2 L gas hidrogen klorida. Perbandingan volumnya adalah 1 : 1 : 2 (merupakan perbandingan bilangan bulat sederhana). Demikian juga bila 2 L gas hidrogen direaksikan dengan 1 L gas oksigen akan dihasilkan 2 L uap air. Jadi perbandingannya juga merupakan bilangan sederhana yakni 2 : 1 : 2. V gas hidrogen : V gas klor : V gas hidrogen klorida = 1 : 1 : 2 V gas hidrogen : V gas oksigen : V uap air = 2 : 1 : 2 Gay Lussac menyimpulkan hasil pengamatannya tersebut yang kemudian dikenal sebagai Hukum Perbandingan Volum (Gay-Lussac s Law of combining volums). Hukum ini menyatakan bahwa pada suhu dan tekanan yang sama maka perbandingan volum gas-gas yang terlibat reaksi merupakan bilangan bulat sederhana. * Hipotesis merupakan suatu pernyataan yang diturunkan dari pengetahuan yang ada. Sebuah hipotesis dianggap sebagai perkiraan umum yang tajam dan cermat, dan untuk sementara diterima sebagai kecenderungan dari gejala yang terjadi. 62

2 Pada masa itu, molekul unsur belum dikenal sehingga unsur hidrogen dan unsur klor dianggap terdiri dari partikel-partikel atom (sesuai dengan teori atom Dalton yang dianut ketika itu). Akibat dari hukum itu dan Hukum Kekekalan Massa, bila 2 gas yang bereaksi bervolum sama pada kondisi yang sama maka atom yang dikandung oleh kedua gas itu jumlahnya harus sama pula. Untuk memperkuat pernyataan tersebut, Gay Lussac menggunakan illustrasi seperti ditunjukkan oleh Gbr 5.1 berikut. + 1 volum ( 4 atom ) Menurut Gay-Lussac, perbandingan itu hanya terjadi pada gas, bukan pada massa tetapi pada volumnya. Gejala pada gas ini tidak terjadi pada padatan dan cairan. Ilustrasi Gay Lussac tersebut mendapat sanggahan dari Dalton karena bertentangan dengan bahwa atom tidak dapat dipecah. Latihan 5.1. Sebuah tabung bervolum 5 L pada T dan P berisi N partikel gas A. a. Berapa partikel gas A yang terkandung dalam setiap liter gas A pada kondisi yang sama? (Jawab: 1/5 N partikel.) b. Berapakah volum yang ditempati oleh 2 N partikel gas A pada kondisi yang sama? (Jawab: 10 L.) 2. Hipotesis Avogadro 1 volum ( 4 atom ) 2 volum ( 8 atom ) Gbr 5.1 Penggabungan hidrogen dan klor ( = atom hidrogen; = atom klor ) Jika 1 volum gas pada kondisi tertentu dimisalkan ada 4 partikel, maka 2 volum gas pada kondisi sama akan mengandung 8 partikel. Pada tahun 1811, Amadeo Avogadro (Italia), melalui tulisannya berhasil menunjukkan kesesuaian antara Hukum Perbandingan Volum dan Teori Atom Dalton dengan mengajukan dua anggapan (postulat) berikut: Volum yang sama dari gas yang berbeda, pada suhu dan tekanan yang sama akan mengandung jumlah partikel yang sama. Partikel dasar dari gas bukan atom tetapi molekul. Atas dasar postulatnya tersebut, Avogadro mengajukan hipotesisnya yang terkenal, yaitu: Gas-gas (atau uap) yang bervolum sama akan mengandung jumlah molekul yang sama jika kondisi (suhu dan tekanan) gas-gas itu sama Berdasarkan postulat itu, Avogadro memperkenalkan molekul unsur sebagai partikel dasar dari gas, dan bukan atom seperti yang dikemukakan oleh Gay Lussac dalam menjelaskan hukumnya. Hipotesis Avogadro berhasil meyakinkan kesesuaian antara Hukum Perbandingan Volum dan Teori Atom Dalton. Di samping itu, hipotesis Avogadro juga bersesuaian dengan hasil eksperimen pada waktu itu yang membuktikan bahwa perbandingan volum dari gas hidrogen, gas oksigen, dan uap air adalah 2 : 1 : 2. 63

3 Hipotesis Avogadro berhasil menjelaskan Hukum Perbandingan Volum, dan juga tidak bertentangan dengan Teori Atom Dalton. Avogadro menggunakan ilustrasi di bawah ini untuk menjelaskan hal tersebut. Satu volum gas apa saja, pada suhu dan tekanan yang sama, akan mengandung jumlah molekul yang sama. Jika dimisalkan 1 volum ada 4 molekul gas maka penggabungan 2 jenis gas yang bervolum sama dapat digambarkan seperti di bawah ini. + H 2 Cl 2 HCl 1 volum 1 volum 2 volum 4 molekul 4 molekul 8 molekul Gbr 5.2. Penggabungan gas hidrogen dan gas klor menurut hipotesis Avogadro Uraian di atas memperlihatkan bahwa hipotesis Avogadro dapat membuktikan bahwa Hukum Perbandingan Volum adalah benar dan tidak bertentangan dengan Teori Atom Dalton. Tampak bahwa partikel dasar unsur berwujud gas dapat berupa molekul. Molekul-molekul unsur ini sebagai hasil penggabungan beberapa atom. CATATAN: Di kemudian hari ditemukan adanya zat berwujud gas dengan partikel dasar berupa atom (misalnya dengan ditemukannya gas mulia). Selain dapat membuktikan kebenaran Hukum Perbandingan Volum, hipotesis Avogadro juga memperlihatkan adanya hubungan antara volum dan koefisien masing-masing gas dalam persamaan reaksinya. Pada suhu dan tekanan yang sama: + H 2 O 2 HCl 2 volum 1 volum 2 volum 8 molekul 4 molekul 8 molekul Gbr 5.3. Penggabungan gas hidrogen dan gas oksigen menurut hipotesis Avogadro gas hidrogen + gas oksigen uap air 2 volum 1 volum 2 volum 2 H 2 (g) + 1 O 2 (g) 2 H 2 O(g) Oleh karena itu, berdasarkan hipotesis Avogadro, untuk antar zat berwujud gas pada suhu dan tekanan yang sama bila diketahui persamaan reaksinya, berlaku perbandingan: volum gas A koefisien gas A volum gas B koefisien gas B Untuk reaksi pembentukan uap air di atas, masing-masing koefisien dalam persamaan reaksinya merupakan bilangan dari perbandingan volum gas-gasnya. volum gas H : volumgas O2 : volumgas H2O 2 2:1:2 64

4 CATATAN: Hipotesis Avogadro baru dapat dibuktikan kebenarannya secara eksperimen setelah ½ abad kemudian. Pada tahun 1858, Stanislao Cannizzaro (Italia) melakukan penetapan massa atom relatif unsur berdasarkan hipotesis Avogadro. Dengan menerapkan massa molekul hidrogen sebesar 2 g pada suhu 0 0 C dan tekanan 1 atm berdasarkan massa atom relatif atom H = 1, Cannizzaro berhasil menghitung bahwa volum dari 2 g gas hidrogen pada kondisi itu adalah sebesar 22,4 L. Pada kondisi yang sama, volum dari 32 g gas oksigen (dengan massa atom relatifnya = 16) adalah sama, yakni 22,4 L. Pada tahun 1865, hipotesis Avogadro kembali dibuktikan kebenarannya oleh J. Loschmidt (Austria). Berdasarkan teori kinetika tumbukan, melalui perhitungan, Loschmidt menemukan bahwa gas oksigen dengan volum 22,4 L pada 0 0 C dan 1 atm mengandung jumlah molekul sebanyak 6 x Bilangan ini kemudian disebut bilangan Avogadro sebagai penghormatan kepada Avogadro. Sejak pembuktian Cannizzaro dan Loschmidt, hipotesis Avogadro kemudian dinyatakan sebagai Hukum Avogadro karena telah berhasil dibuktikan kebenarannya. Hukum Avogadro memiliki aplikasi luas dalam perhitungan yang berhubungan dengan gas-gas. Contoh Soal volum gas A pada T dan P bereaksi dengan 3 volum gas B pada kondisi sama membentuk 2 volum gas C pada kondisi sama. Berapa perbandingan volum gas yang terlibat reaksi? Volum A : Volum B : Volum C = 2 : 3 : 2 Contoh Soal 5.2. Gas-gas yang terlibat reaksi memenuhi persamaan reaksi: N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g). 1. Berapakah koefisien reaksi masing-masing zat yang terlibat reaksi? 2. Berapa perbandingan volum antar gas yang terlibat reaksi? 1. Koefisien masing-masing gas secara berurutan adalah 1; 3; Perbadingan volum antar gas yang telibat reaksi adalah setara dengan perbandingan koefisiennya. Perbandingan koefisien: koefisien N 2 : koefisien H 2 : koefisien NH 3 = 1 : 3 : 2. Perbandingan volumnya: volum gas N 2 : volum gas N 2 : volum gas NH 3 = 1 : 3 : 2. Contoh Soal 5.3. Hasil percobaan pada reaksi antara 2 volum gas N 2 (pada T dan P) dan 5 volum gas O 2 (pada T dan P) menghasilkan 2 volum N x O y (pada T dan P). a. Tuliskan persamaan reaksi yang terjadi. b. Tetapkanlah rumus molekul gas N x O y. a. Persamaan reaksinya adalah: x N 2 (g) + y H 2 (g) 2 N x O y (g) b. Perbandingan koefisien adalah koefisien N 2 : koefisien H 2 : koefisien N x O y = x : y : 2 Karena perbandingan koefisien setara dengan perbandingan volum, maka berlaku: volum N2 : volum H2 : volum NxOy = x : y : 2 = 2 : 5 : 2. Dari perbandingan ini maka nilai x = 2 dan y = 5. Dengan demikian rumus molekul NxOy adalah N2O5. Latihan

5 1. Dalam tabung 2 L pada kondisi T dan P berisi N molekul gas O 3. Berapa jumlah molekul gas O 3 yang mengisi 1 L tabung pada kondisi yang sama? (Jawab: ½ N molekul O 3.) 2. Satu liter uap karbon, C (pada T dan P) habis bereaksi dengan 2 liter gas H 2 (pada T dan P) membentuk 1 liter gas CH x (pada T dan P). Tetapkanlah rumus molekul gas CH x. (Jawab: Rumus molekul: CH 4.) B. MASSA RELATIF DARI ATOM DAN MOLEKUL 1. Massa Relatif Atom Atom merupakan partikel amat kecil, dan untuk menentukan massanya diperlukan alat khusus yang disebut Spektrometer-massa. Dengan alat ini dapat ditetapkan massa sebuah atom hidrogen, H yakni besarnya 1,6736 x gram. Betapa kecilnya massa atom H ini bahkan atom yang paling besar sekali pun, massanya kurang dari 5,000 x gram. Bilangan berpangkat ini kurang praktis penggunaannya; oleh karena itu para ahli sepakat untuk menggunakan satuan khusus untuk massa atom. Satuan ini diberi nama: satuan massa atom (sma; atau amu = atomic mass units) dengan simbol:. Melalui pertimbangan ilmiah, atom C-12 dipilih sebagai atom acuan, dan ditetapkan bahwa massa sebuah atom C-12 adalah tepat sebesar 12. Massa sebuah atom C-12 yang sebenarnya adalah 19,9268 x g; dan dengan menggunakan satuan massa atom penyederhana ( ) dapat disederhanakan menjadi sebesar 12,0000. Dengan demikian satuan massa atom penyederhana ( ) besarnya adalah: 19,9268 x ,0000 g 1,66 x g Dari nilai ini, IUPAC (International Union for Pure and Applied Chemistry) menetapkan: 1 = 1 sma = 1/12 x massa 1 atom C-12 = 1,66 x g. Bila satuan penyederhana. diterapkan terhadap massa atom H di atas, maka massa atom H dalam satuan., besarnya adalah: 1,6736 x g Massa 1atom H 1,0078 1,66 x g Di alam, umumnya unsur-unsur berada sebagai campuran isotopnya (tentang isotop akan dijelaskan pada bagian lain); oleh karena itu massa atom harus merupakan massa atom rata-ratanya. Massa atom rata-rata inilah yang dikenal sebagai massa relatif atom dengan simbol: A r. Secara garis besarnya dapat dikemukakan bahwa massa relatif atom unsur X atau A r atom unsur X didefinisikan sebagai perbandingan massa 1 atom unsur X terhadap 1/12 x massa 1 atom C-12. Atau dengan kata lain: massa1atom unsur X A r X x massa atom C Harga A r dari setiap unsur telah ditabelkan dan dapat ditemukan dalam berbagai buku atau literatur kimia. Harga A r tidak perlu dihafal, dan bila diperlukan dapat langsung dicatat dari tabelnya; bahkan di dalam perhitungan atau soal-soal kimia, harganya selalu dicantumkan. 66

6 Tabel berikut hanya mencakup beberapa nilai A r unsur (disertai nilai pembulatan untuk penyederhanaan perhitungan); tabel lengkap mengenai A r setiap unsur dapat dilihat pada bagian akhir buku ini. Tabel 5.1. Massa Relatif Atom Beberapa Unsur Nama Unsur Nilai A r Nama Unsur Nilai A r dari tabel pembulatan * dari tabel pembulatan * hidrogen; H 1,008 1 belerang; S 32, helium; He 4,003 4 klor; Cl 35,453 35,5 karbon; C 12, kalium; K 39, nitrogen; N 14, kalsium; Ca 40, oksigen; O 15, besi; Fe 55, natrium; Na 22, tembaga, Cu 63,546 63,5 magnesium; Mg 24, brom, Br 79, aluminium, Al 26, perak, Ag 107, silikon; Si 28, iodium, I 126, fosfor; P 30, Dst. Keterangan: (*) Nilai pembulatan biasanya digunakan untuk menyederhanakan perhitungan. Sering nilai Ar tidak diikuti dengan satuannya (sma atau amu) hanya alasan kepraktisan. Latihan Berapa nilai A r dari unsur perak dan tembaga lengkap dengan satuannya. 2. Nyatakanlah nilai A r dari unsur perak dan unsur tembaga dalam 1 desimal. 2. Massa Relatif Molekul Kita telah tahu bahwa molekul merupakan hasil penggabungan atom-atom. Oleh karena itu massa molekul haruslah merupakan hasil penjumlahan massa dari atom-atom pembentuknya. Karena nilai massa atom yang diterapkan merupakan massa relatif atom (A r ) maka massa molekul yang diperoleh dari penjumlahannya pun disebut sebagai massa relatif molekul, (simbol: M r ). Jadi M r senyawa dapat dihitung apabila A r unsur pembentuknya diketahui (dapat dilihat pada daftar A r ). Berikut contoh penghitungan nilai M r beberapa tipe rumus kimia suatu senyawa. Rumus: Jumlah atom pembentuk Perhitungan Nilai Mr Rumus H2 2 atom H (2)(1) = 2 Mr H2 = 2 H2O 2 atom H (2)(1) = 2 Mr H2O = 18 1 atom O (1)(16) = 16 Jumlah = 18 C12H22O11 12 atom C (12)(12) = 144 Mr C12H22O11 = atom H (22)(1) = atom O (11)(16) = 176 Jumlah = 342 K 3[Fe(CN) 6] 3 atom K (3)(39) = 117 M r K 3[Fe(CN) 6] = atom Fe (1)(56) = 56 67

7 6 atom C (6)(12) = 72 6 atom N (6)(14) = 84 Jumlah = 329 H 2C 2O 4.2H 2O 6 atom H (6)(1) = 6 M r H 2C 2O 4.2H 2O = atom C (2)(12) = 24 6 atom O (6)(16) = 96 Jumlah = 126 Contoh Soal 5.4. Hitunglah nilai M r dari rumus berikut ini bila diketahui A r dari H=1; C=12; N=14; O=16; Na=23; P=31; dan B r =80. a. Br 2. b. (NH 4 ) 3 PO 4 c. Na 2 CO 3.10H 2 O. a. M r Br 2 = (2)(A r Br) sma = (2)(80) sma = 160 sma. Atau M r Br 2 = 160. b. M r (NH 4 ) 3 PO 4 adalah: c. M r Na 2 CO 3.10H 2 O adalah: 3 atom N: (3)(14) = 42 2 atom Na: (2)(23) = atom H: (12)(1) = 12 1 atom C: (1)(12) = 12 1 atom P: (1)(31) = atom O: (13)(16) = atom O: (4)(16) = atom H: (20)(1) = 20 M r (NH 4 ) 3 PO 4 = 149 M r Na 2 CO 3.10H 2 O = 286 Contoh Soal 5.5. Diketahui rumus molekul air adalah H 2 O, dan karbon dioksida adalah CO 2. Jika A r dari H=1; C=12; dan O=16, maka: a. Berapa perbandingan massa antar unsur pembentuk masing-masing senyawa? b. Berapa komposisi (dalam %-massa) dari masing-masing unsur dalam kedua senyawa di atas? a. Dalam senyawa H 2 O, perbandingan massa H dan massa O adalah: m H : m O = 2 g : 16 g = 1 : 8 Dalam senyawa CO 2, perbandingan massa C dan massa O adalah: m C : m O = 12 g : 32 g = 3 : 8 b. Komposisi (dalam %-massa) masing-masing unsur dalam senyawa H 2 O adalah: total massa H 2 g % H x 100% x 100% 11,11%. total massa unsur 18 g total massa O 16 g % O x 100% x 100% 88,89%. total massa unsur 18 g Komposisi (dalam %-massa) masing-masing unsur dalam senyawa CO 2 adalah: total massa C 12 g % C x 100% x 100% 27,27%. total massa unsur 44 g total massa O 32 g % O x 100% x 100% 72,73%. total massa unsur 44 g Latihan Hitunglah M r dari zat berikut di bawah ini. 68

8 a. H 3 PO 3 c. (NH 4 ) 2 C 2 O 4 e. KAl(SO 4 ) 2.24H 2 O b. NH 4 NO 3 d. Pb(CH 3 COO) 2 (Jawab: b. 80; e. 690.) 2. Suatu senyawa mempunya rumus molekul CO. Jika A r dari C=12 dan O=16, maka: a. Berapa perbandingan massa unsur C dan massa unsur O dalam senyawa tersebut. b. Tetapkan komposisi (dalam %-massa) dari masing-masing unsur. (Jawab: Persen O = 57,14%.) Reaksi dalam sistem gas berlaku Hukum Perbandingan Volum, yakni perbandingan koefisien reaksi merupakan perbandingan volum antar gas yang terlibat reaksi. Misal: 2 A 2 B(g) + 2 C 2 (g) 4 AC(g) + B 2 (g) Berlaku perbandingan volum, VA B :VC :VAC :VB 2 IKHTISAR : 2 : 4 : 1 Salah satu postulat Avogadro menyatakan bahwa molekul unsur merupakan partikel dasar dari gas. Hukum Avogadro tentang gas berbunyi bahwa gas-gas pada volum sama yang diukur pada suhu dan tekanan yang sama akan mengandung jumlah partikel yang sama. Satuan massa untuk atom adalah sma atau amu (simbol: ) dimana: 1 = 1 sma = 1,66 x g. Massa atom relatif (simbol: A r) didefinisikan sebagai perbandingan massa 1 atom unsur itu terhadap 1/12 x massa 1 atom C-12. (Baca: massa satu atom C dua belas.) Massa molekul relatif (simbol: M r) didefinisikan sebagai penjumlahan aljabar harga A r dari atom-atom unsur penyusun rumus atau molekul itu. 69