WEEK 3, 4 & 5 Bag 3:STOIKIOMETRI Joko Sedyono Benyamin 1
Diskripsi Stoikiometri adalah cabang ilmu kimia yang mempelajari hubungan kuantitatif/jumlah zat yang terlibat dalam reaksi kimia. Kata ini berasal dari bahasa Yunani stoikheion (elemen) dan metron (ukuran) Lingkup dari Stoikiometri adalah Perbandingan jumlah unsur pembentuk senyawa Perbandingan jumlah zat yang terlibat dalam suatu reaksi dalam jumlah yang kompleks Jeremias Benjamin Richter (1762-1807) adalah orang yang pertama kali meletakkan prinsip-prinsip dasar stoikiometri 2
Stoikiometri Pembentukan Senyawa Hukum Perbandingan Tetap dalam Suatu senyawa Dasar dari stoikiometri adalah teori atom dalton yaitu: hukum perbandingan tetap dan hukum kekekalan massa dalam reaksi kimia. Rumus kimia suatu senyawa yang ditunjukkan dengan angka yang bulat, menunjukkan jumlah atom-atom yang menyusun senyawa tersebut (hukum perbandingan tetap). Sebagai contoh, karbonmonoksida (CO) mempunyai perbandingan antara atom C dan atom O sama dengan 1 : 1, yang berarti perbandingan atom untuk membuat 1 molekul CO 1 atom C dan 1 atom O. 1 atom C + 1 atom O 1 molekul CO 3
Massa Atom Massa atom terkait dengan jumlah sub atom yang dimiliki oleh atom. Pada persoalan reaksi kimia di laboratorium massa atom sangat diperlukan sebagai satuan jumlah dari zat yang terlibat dalam reaksi. Atom adalah partikel yang sangat kecil sehingga massa satu atom tidak bisa ditimbang. Massa atom ditentukan dengan tetapan. Berdasarkan perjanjian internasional tetapan yang digunakan adalah massa dari atom karbon isotop 12 (jumlah proton 6 dan neutron 6), dimana satu atom dari karbon-12 memiliki massa yang tepat 12 satuan massa atom (sma). Atau dengan kata lain 1 Satuan Massa Atom dapat didefinisikan sebagai suatu massa yang besarnya tepat sama dengan seperduabelas massa dari satu atom karbon-12 4
Massa satu atom karbon-12 = 12 sma atau 1 sma = massa satu atom karbon-12/12 Massa dari atom lainnya dicari dengan membandingkan dengan massa karbon-12. Massa Atom rata-rata Massa atom dari masing-masing unsur dalam tabel sistem periodik tertera dalam bagian bawah. Massa ini menunjukkan massa atom rata-rata yaitu massa yang memperhitungkan semua isotop yang ditemukan di alam. 6 C 12,01 Massa atom C dialam ditemukan dengan bentuk Karbon-12 dengan massa 12 sma sejumlah 98,90 % dan karbon-13 dengan massa 13,00335 sma sejumlah 1,10 %. 5
Contoh Lain Tembaga di alam ditemukan di alam memiliki 2 macam isotop yang stabil yaitu 63 29Cu 65 29Cu sejumlah 69,09 % dengan massa 62,93 sma sejumlah 30,91 % dengan massa 64,9278 sma Hitung massa atom rata-rata dari tembaga? (62,93 sma x 0,6909) + (64,9278 sma x 0.3091) = 63,5475 sma 6
Konsep Mol Konsep atom dalton menyatakan perbandingan jumlah atom pada senyawa adalah tetap, sedangkan atom pada kenyataannya berukuran kecil. Pada kenyataan di lapangan proses analisis kimia berlangsung pada sampel yang besar. Karena itu diperlukan suatu satuan khusus yang menyatakan jumlah atom yang sangat besar. Pada sistem SI mol (mole) adalah banyaknya suatu zat yang mengandung entitas dasar (atom, molekul atau partikel lain) sebanyak jumlah atom yang terdapat dalam tepat 12 gram karbon-12. Jumlah sebenarnya 12 gram atom karbon-12 melalui percobaan ditemukan sejumlah 6,0221367 X 10 23 buah. Angka ini disebut bilangan avogadro dan pada umumnya angka ini dibulatkan 6,022 X 10 23 sehingga dapat dikatakan 1 mol = 6,022 X 10 23 7
` 8
Karena mol adalah satuan jumlah dari atom atau molekul maka perbandingan mol zat yang bereaksi akan sama dengan jumlah atom zat yang bereaksi. Misalkan senyawa CCl 4 (karbon tetra clorida), molekulnya terbentuk dari 1 atom C (karbon) dan 4 atom Klour, secara skematis perbandingan atom dan molekulnya dapat dituliskan sebagai berikut: 1 mol C + 4 mol Cl 1 mol CCl 4 atom atom molekul 9
Tugas a. Berapakah perbandingan mol dari karbon dan klour untuk membentuk zat C 2 Cl 6 (Heksa kloroetana). C:Cl = 2:6 b. Berapakah mol atom karbon yang diperlukan untuk bergabung dengan 4,87 mol Cl agar membentuk zat C 2 Cl 6. (2/6)x4,87=1,623 c. Berapakah mol atom karbon yang yang terdapat dalam 2,65 mol C 2 Cl 6. 2x2,65=5,3mol d. Alumunium Sulfat (Al 2 (SO 4 ) 3 ) adalah jenis senyawa yang dipakai dalam membersihkan air di limbah pabrik. Jika tersedia sebanyak 4,5 mol molekul Al 2 (SO 4 ) 3, Hitunglah jumlah atom unsur-unsur penyusunnya. Al:2x4,5=9; S:3x4,5=13,5; O:12x4,5=54 10
Pengukuran Atom dalam Satuan Massa Analisis kimia di lab atau di lapangan membutuhkan satuan selain satuan jumlah (mol). Dan satuan yang digunakan adalah satuan massa. Seperti dalam konsep mol bahwa 1 mol karbon-12 mempunyai massa tepat 12 gram. Angka 12 ini sama dengan nomor massanya dan menunjukkan massa satu atomnya adalah 12sma. Dengan demikian massa atom untuk tiap satu mol unsur yang lain dapat juga diketahui dari nomor massanya. 11
Contoh Na memiliki massa atom relatif 22,99 sma, ini juga menunjukkan bahwa massa atom Na per-mol (massa molar) yakni adalah 22,99 g/mol. Dengan demikian dapat kita cari hubungan antara Mol (atom atau molekul), massa molar (g/mol) dan massa (g). massa massa molar x mol mol massa / massa molar 12
PR1 1. a. Berapakah mol Si yang terdapat dalam 30,5 gram Si b. Jika terdapat 3, 75 mol Si berapakah massa Si 2. Berapakah banyaknya mol Ca yang diperlukan untuk bereaksi dengan 2,5 mol Cl agar terbentuk senyawa CaCl 2. Latihan di kelas: Berapa gram Ca harus bereaksi dengan 41,5 gram Cl untuk menghasilkan CaCl 2. Jika diketahui massa atom relatif (Ar): Si = 28,09 Ca =40,1 Cl = 35,5. Massa Ca=23,459g 13
PENGUKURAN SENYAWA Sama halnya dengan unsur, pengukuran senyawa juga dapat dinyatakan dalam satuan mol (satuan jumlah molekul) maupun satuan massa. Pengukuran massa molar senyawa dapat dihitung dengan menjumlahkan massa atom unsur penyusunnya sesuai rumus molekulnya (Perbandingan angka dalam rumus molekul menunjukkan perbandingan mol unsurnya). Penjumlahan ini menghasilkan angka massa molar molekul. Contoh senyawa CO 2, massa molar molekul CO 2 dapat dihitung dari; massac = 1mol x 12,01g/mol = 12,01g massao = 2mol x 16,00g/mol = 32,00g + 44,01g. Dengan demikian massa molar molekul CO 2 adalah 44,01g/mol. 14
PR1 3. Senyawa natrium karbonat (Na 2 CO 3 ) Jika massanya 132 gram berapa mol senyawa tersebut. Latihan di kelas: Jika terdapat 0,250 mol berapa massanya. 15
Menghitung Massa Unsur dalam Senyawa Untuk menghitung massa unsur dalam suatu senyawa dapat dilakukan dengan beberapa cara; Yang pertama dengan mengetahui kontribusi unsur dalam senyawa tersebut. Yang kedua dengan prosentase 16
Dengan kontribusi Massa unsur dalam suatu senyawa dapat dicari dari Massa unsur riil massa unsur xmassa senyawa massa molar molekul Misalkan diketahui massa senyawa H 2 O 100 gram, berapakah massa oksigen dan hidrogennya Langkah pertama adalah menghitung massa molar molekulnya. massah = 2molx1,01g/mol = 2,02g massao = 1molx16,00g/mol =16,00g + Massa molar molekul 18,02g/mol. 18,02g Dengan demikian massa atom H dan O yg riil di dlm H 2 O 100g dapat dicari Massa H = 2,02/18,02X100gr = 11,1 gram Massa O =16,00/18,02X100gr = 88,9 gram 17
Dengan komposisi (jumlah) persen Komposisi persen adalah jumlah suatu unsur dalam senyawa dalam bentuk prosentase % massa unsur komposisi 100% massa molar molekul X Massa unsur riil = komposisi % unsur x massa senyawa 18
Misalkan senyawa H 2 O bermassa 100 gram, Berapakah komposisi persen dan massa oksigen dan hidrogennya Massa molekul H 2 O H =2x 1,01 = 2,02 O =1x16,00 = 16,00 + 18,02~18 Sehingga Komposisi persen H = 2/18X100% = 11,1 % O =16/18X100% = 88,9 % Menghitung massa atom Massa H = 11,1%X100 gram Massa O = 88,9%X100 gram = 11,1 gram = 88,9 gram 19
Contoh Persoalan Berapa komposisi persen dari masingmasing zat untuk zat CHCl 3 Hitung massa dari Fe dalam 15,0 gram Fe 2 O 3 Na dalam 35 gram Na 2 CO 3 Ar dari: C=12,01; H=1,01;Cl=35,45;Fe=55,85; O=16,0;Na=22,99 20
Stoikiometri dalam Reaksi Kimia Reaksi kimia adalah suatu proses dimana zat diubah menjadi satu atau lebih senyawa baru. Proses berjalannya reaksi kimia dapat dinyatakan dalam sebuah persamaan yang disebut dengan persamaan reaksi. Suatu persamaan reaksi menggambarkan sebuah informasi mengenai zat-zat yang terlibat dalam reaksi baik secara kualitas maupun kuantitas zat. 21
Menulis Persamaan Reaksi Persamaan reaksi menunjukkan 2 kelompok zat yaitu reaktan (pereaksi) yaitu zat material awal dalam reaksi kimia Produk yaitu substansi yang terbentuk sebagai hasil dari suatu reaksi kimia. Penulisan reaksi kimia dilakukan dengan aturan disebelah kiri sebagai reaktan dan sebelah kanan sebagai produk diantaranya diberi simbol anak panah. Contoh 2H 2 + O 2 2H 2 O Reaktan Produk 22
Menyetarakan Persamaan Reaksi Dalam kajian di stoikiometri persamaan reaksi harus dalam keadaan setara/setimbang, yakni jika jumlah atom antara unsur-unsur yang ada di sisi kiri dengan yang ada di sisi kanan adalah sama. Apabila reaksi belum setimbang maka perlu disetimbangkan dengan cara sebagai berikut; Tulis persamaan reaksi, Teliti kesetaraannya (jumlah atom-atom disebelah kiri dan kanan) masing-masing unsurnya. Jika ada salah satu atom disisi kiri dan kanan yang tidak setimbang maka tempatkan koefisien (angka) di depan rumus molekulnya agar reaksinya setimbang. 23
Contoh Reaksi larutan natrium karbonat (Na 2 CO 3 ) bereaksi dengan asam klorida (HCl) membentuk natrium klorida (NaCl), air (H 2 O) dan karbondioksida (CO 2 ). Hal ini dapat ditulis dalam persamaan reaksi: Na 2 CO 3 + HCl NaCl + H 2 O + CO 2 Untuk mengetahui apakah reaksi ini setimbang atau tidak maka diperiksa jumlah atom masing-masing unsurnya. Atom Sebelah Kiri Sebelah Kanan Na 2 1 C 1 1 O 3 3 H 1 2 Cl 1 1 24
Dari sini persamaan reaksi belum setara sehingga perlu diseimbangkan dengan langkah sebagai berikut, Atom Na yang tidak sama jumlahnya harus disamakan dengan cara menambahkan koofisien 2 di depan NaCl sehingga persamaan berubah menjadi Na 2 CO 3 + HCl 2NaCl + H 2 O + CO 2 Penambahan koofisien 2 pada NaCl menyebabkan jumlah Cl tidak seimbang sehingga perlu diseimbangkan dengan cara memberi koofisien 2 didepan HCl dan persamaan reaksi berubah menjadi Na 2 CO 3 + 2HCl 2NaCl + H 2 O + CO 2 Jika persamaan reaksi diatas diperiksa maka akan di dapat hasil sebagai berikut; Atom Sebelah Kiri Sebelah Kanan Na 2 2 C 1 1 O 3 3 H 2 2 Cl 2 2 Persamaan Reaksi ini yang disebut reaksi yang setimbang 25
PR1 Seimbangkan persamaan reaksi berikut: 4. a. LaCl 3 + Na 2 CO 3 La 2 (CO 3 ) 3 + NaCl b. NH 4 Cl + Ba(OH) 2 BaCl 2 + NH 3 + H 2 O Latihan bebas a. C 8 H 18 + O 2 CO 2 + H 2 O b. Mg + FeCl 3 MgCl 2 + Fe a. ZnS + HCl ZnCl 2 + H 2 S b. HCl + Cr CrCl 2 + H 2 c. Al + Fe 3 O 4 Al 2 O 3 + Fe 26
Perhitungan Zat yang Terlibat dalam Suatu Reaksi koefisien reaksi pada persamaan reaksi yang setara/setimbang menunjukkan jumlah perbandingan mol yang terlibat dalam reaksi, sehingga koofisien ini dapat digunakan untuk mengetahui jumlah zat yang terlibat dalam reaksi. Untuk itu dilakukan: Memeriksa koefisien dalam keadaan setimbang. Mengubah kuantitas ke dalam mol Membandingkan mol zat yang terlibat dalam reaksi berdasarkan koefisien reaksi. Mengubah mol ke dalam gram jika diperlukan. 27
Contoh Persoalan Berapakah jumlah molekul oksigen (O 2 ) yang dibutuhkan untuk pembakaran 1,80 mol alkohol C 2 H 5 OH jika reaksi tersebut akan menghasilkan CO 2 dan H 2 O Reaksi dapat ditulis C 2 H 5 OH + O 2 CO 2 + H 2 O Memeriksa kesetaraan reaksi Reaksi diatas belum seimbang dan perlu diseimbangkan dan di dapat C 2 H 5 OH + 3O 2 2CO 2 + 3H 2 O Perbandingan koefisien dari reaksi ini jg menunjukkan perb. mol C 2 H 5 OH : O 2 : CO 2 : H 2 O = 1 : 3 : 2 : 3 Jika C 2 H 5 OH = 1,80 mol Maka O 2 = 3 x 1,80 = 5,4 mol O 2 Apabila dalam persoalan diketahui satuan massa dalam bentuk gram harus diubah dahulu ke dalam bentuk mol. 28
Contoh Persoalan Asitelin (C 2 H 2 ) yang digunakan dalam api pembakar dalam pengerjaan welding (pengelasan) dibuat dari reaksi antara kalsium karbida (CaC 2 ) dengan air dengan reaksi; CaC 2 + 2H 2 O Ca(OH) 2 + C 2 H 2 a. Jika tersedia 200 gram CaC 2 berapa C 2 H 2 yang akan terbentuk. b. Berapa mol air yang dibutuhkan jika kita ingin menghasilkan 70 gram C 2 H 2 dimana Ar (O=16; H=1,008; C=12,01; Ca=40,1) -Mol CaC 2 =3,119mol, massa C 2 H 2 =81,156g -Mol air yg dibutuhkan = 5,38mol. 29
Pereaksi Pembatas Pada praktek pengerjaan reaksi kimia, jumlah zat yang direaksikan biasanya berlebih. Konsekuensinya beberapa reaktan akan tersisa pada akhir reaksi. Reaktan yang pertama kali habis digunakan pada reaksi disebut pereaksi pembatas, sedang reaktan yang sisa sering disebut sebagai pereaksi berlebih. 30
Sebagai gambaran dalam reaksi kimia lihat contoh sebagai berikut; Reaksi pembentukan H 2 O dapat terjadi dalam persamaan reaksi sebagai berikut; 2H 2 + O 2 2H 2 O Jika tersedia 5 mol H 2 dan 7 mol O 2 tentukan reaksi pembatasnya dan berapa H 2 O yang akan terbentuk Reaksi pembatas adalah reaksi yang akan habis tanpa sisa Jika kita periksa satu persatu misalkan jika H 2 yang habis (5 mol) maka O 2 yang diperlukan H 2 : O 2 = 2 : 1 jika H 2 5 mol maka O 2 yang dibutuhkan ½ x 5 = 2,5 mol O 2 (mungkin) Tapi jika O 2 yang habis (7 mol) maka H 2 yang diperlukan 2/1 x 7 = 14 mol H 2 (tidak mungkin, karena yg tersedia hanya 5mol). Maka yg habis terpakai adalah H 2 (karena 5 mol akan bereaksi dengan 2,5 mol O 2 ) sehingga H2 disebut sebagai pereaksi pembatas. O 2 yang digunakan hanya sebanyak 2,5 mol lainnya adalah sisa. Sedang H 2 O yang akan dihasilkan 2/2 x 5 = 5 mol H 2 O 31
Contoh Persoalan Reaksi pembuatan urea dari amonia berlangsung sebagai berikut; NH 3 +CO 2 (NH 2 ) 2 CO +H 2 O Pada suatu proses 637,2 g NH 3 bereaksi dengan 1142 g CO 2. a. Reaktan mana yang merupakan pereaksi pembatas b. Hitung massa (NH 2 ) 2 CO yang terbentuk 32
Persamaan reaksi seimbangnya; 2NH 3 +CO 2 (NH 2 ) 2 CO +H 2 O Mol NH 3 = 637,2g/massa molar NH3 =637,2/17,03 = 37, 42 mol NH 3 Mol CO 2 = 1142g/massa molar CO2 = 1142/44,01 = 25, 95 mol CO 2 Perbandingan mol NH 3 : CO 2 = 2:1 Jika 37, 42 mol NH 3 habis, maka mol CO 2 yang dibutuhkan CO 2 ½ X 37, 42 = 17,71 mol CO 2 sedangkan CO 2 yang tersedia 25,95mol, maka CO 2 bersisa (mungkin) sehingga NH 3 yang merupakan reaksi pembatas Jika 25, 95 mol CO 2 habis maka mol NH 3 yang dibutuhkan 2 X 25,95 = 51,90 mol NH 3 (tidak mungkin). Massa (NH 2 ) 2 CO yang terbentuk mol (NH 2 ) 2 CO x massa molar (NH 2 ) 2 CO Mol (NH 2 ) 2 CO yang terbentuk = ½ X 37, 42 = 17,71 mol (NH 2 ) 2 CO Massa (NH 2 ) 2 CO = mol (NH 2 ) 2 CO X massa molar (NH 2 ) 2 CO = 17,71 x 60, 06 = 1124 gram (NH 2 ) 2 CO 33