Perubahan Massa dari Persamaan Stoikiometri: Kimia HSC

Persamaan setara mungkin dituliskan sebagai

\[ \ce{2Mg + O2 -> 2MgO} \]

dan Anda mungkin tergoda membacanya sebagai “2 gram magnesium bereaksi dengan 1 gram oksigen”. Itu akan membuat perhitungannya mudah. Namun, itu juga salah.

Sebelum melanjutkan, coba prediksi: jika 24,3 g magnesium bereaksi sempurna, apakah akan terbentuk kurang dari 24,3 g, tepat 24,3 g, atau lebih dari 24,3 g magnesium oksida?

Yang terbentuk adalah lebih dari 24,3 g. Atom-atom magnesium tidak menghilang. Atom-atom oksigen bergabung dengannya, sehingga produk mengandung massa kedua unsur tersebut.

Persamaan setara memberi tahu kita secara tepat berapa banyak oksigen yang bergabung dengan magnesium, tetapi ada satu hal penting: persamaan kimia membandingkan partikel dan mol, bukan gram.

Gagasan ini adalah kunci untuk setiap soal stoikiometri massa-ke-massa.

01Masalah dasar: persamaan menggunakan mol, sedangkan soal sering menggunakan gram

Misalkan sebuah soal memberi tahu Anda massa suatu zat dan meminta massa zat lain dalam reaksi yang sama.

Biasanya Anda tidak dapat langsung beralih dari satu massa ke massa lainnya.

Sebagai gantinya, gunakan alur berikut:

\[ \text{massa} \rightarrow \text{mol} \rightarrow \text{mol} \rightarrow \text{massa} \]

Langkah di tengah berasal dari persamaan kimia yang setara.

Salah satu cara yang berguna untuk membayangkannya adalah seperti berganti kereta. Gram berada pada satu jalur kereta, sedangkan persamaan setara berjalan pada jalur mol. Anda harus berpindah dari gram ke mol sebelum persamaan tersebut dapat membawa Anda ke hasil yang berguna. Kemudian, di akhir, Anda mengubahnya kembali menjadi gram.

Analogi ini memiliki batas. Mol bukan sekadar tempat persinggahan matematis yang praktis. Satu mol mewakili sejumlah partikel tertentu, yaitu \(6.022 \times 10^{23}\). Persamaan bekerja dalam mol karena koefisiennya menggambarkan perbandingan antara jumlah partikel.

02Penyegaran: mengonversi antara massa dan mol

Persamaan yang Anda perlukan adalah

\[ n = \frac{m}{M} \]

dengan:

• \(n\) adalah jumlah zat dalam mol, dengan satuan mol
• \(m\) adalah massa, dengan satuan g
• \(M\) adalah massa molar, dengan satuan g mol\(^{-1}\)

Jika disusun ulang, diperoleh

\[ m = nM \]

Massa molar menyatakan massa satu mol suatu zat.

Sebagai contoh, magnesium memiliki massa molar sekitar \(24.3\text{ g mol}^{-1}\). Jadi:

\[ 24.3\text{ g Mg} = 1.00\text{ mol Mg} \]

Untuk suatu senyawa, jumlahkan massa atom semua atom dalam rumusnya.

Untuk magnesium oksida, \(\ce{MgO}\):

\[ M(\ce{MgO}) = 24.3 + 16.0 = 40.3\text{ g mol}^{-1} \]

03Apa arti sebenarnya dari koefisien

Kembali ke:

\[ \ce{2Mg + O2 -> 2MgO} \]

Koefisien memberikan perbandingan

\[ 2\text{ mol Mg} : 1\text{ mol }\ce{O2} : 2\text{ mol MgO} \]

Sebagian hubungan tersebut dapat disederhanakan menjadi:

\[ 1\text{ mol Mg} : 1\text{ mol MgO} \]

Jadi, jika 1,00 mol magnesium bereaksi sempurna, dihasilkan 1,00 mol magnesium oksida.

Namun, perhatikan massanya:

\[ 1.00\text{ mol Mg} = 24.3\text{ g} \]

sedangkan

\[ 1.00\text{ mol MgO} = 40.3\text{ g} \]

Perbandingan molnya adalah \(1:1\), tetapi perbandingan massanya bukan \(1:1\).

Itulah sebabnya koefisien tidak boleh diperlakukan sebagai perbandingan massa.

04Metode massa-ke-massa yang andal

Untuk sebagian besar soal stoikiometri massa HSC, gunakan empat langkah yang sama:

1. Tuliskan atau periksa persamaan setara.
2. Ubah massa yang diberikan menjadi mol.
3. Gunakan perbandingan koefisien untuk menentukan mol zat yang diminta.
4. Ubah jumlah mol tersebut menjadi massa yang diminta.

Bagian yang penting bukanlah menghafal empat kotak langkah. Yang penting adalah memahami mengapa konversi mol berada di tengah.

Persamaan menghubungkan partikel. Mol menghitung partikel. Gram tidak.

05Langkah perbandingan mol adalah tempat banyak kesalahan terjadi

Perhatikan:

\[ \ce{2KClO3 -> 2KCl + 3O2} \]

Misalkan Anda telah menentukan bahwa \(0.40\) mol \(\ce{KClO3}\) terurai.

Berapa mol \(\ce{O2}\) yang terbentuk?

Kesalahan yang umum adalah langsung menggunakan \(0.40\) mol sebagai jumlah \(\ce{O2}\). Namun, persamaan tersebut tidak menunjukkan hubungan \(1:1\).

Koefisien menyatakan

\[ 2\text{ mol }\ce{KClO3} : 3\text{ mol }\ce{O2} \]

sehingga

\[ n(\ce{O2}) = 0.40 \times \frac{3}{2} = 0.60\text{ mol} \]

Kebiasaan yang berguna adalah menuliskan faktor konversi dengan zat yang Anda inginkan di bagian atas:

\[ 0.40\text{ mol }\ce{KClO3} \times \frac{3\text{ mol }\ce{O2}}{2\text{ mol }\ce{KClO3}} \]

Secara konsep, satuan \(\ce{KClO3}\) saling menghapus, sehingga tersisa mol \(\ce{O2}\).

07Apakah massa benar-benar menghilang selama reaksi?

Bayangkan memanaskan kalsium karbonat dalam krus terbuka. Zat padat menjadi lebih ringan.

Kita mungkin tergoda untuk mengatakan, “massa hilang selama reaksi”.

Lebih tepatnya, massa meninggalkan sistem yang diukur dalam bentuk gas karbon dioksida.

Untuk keseluruhan sistem kimia:

\[ \text{massa total reaktan} = \text{massa total produk} \]

asalkan Anda memperhitungkan setiap zat.

Inilah hukum kekekalan massa.

Kontradiksi yang tampak muncul karena batas sistem yang dipilih berbeda. Jika “sistem” Anda hanya berupa bahan yang tersisa di dalam krus pada akhir reaksi, gas yang terlepas tidak lagi termasuk dalam pengukuran.

Dalam wadah tertutup, massa total yang terukur sebelum dan sesudah reaksi seharusnya tetap sama, dengan asumsi tidak ada zat yang masuk atau keluar.

08Kesalahpahaman yang paling menggoda: koefisien bukanlah massa

Perhatikan persamaan ini:

\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]

Koefisiennya adalah \(2:1:2\).

Apakah ini berarti:

\[ 2\text{ g }\ce{H2} + 1\text{ g }\ce{O2} \rightarrow 2\text{ g }\ce{H2O}? \]

Tidak.

Ubah koefisien menjadi jumlah mol terlebih dahulu.

Dua mol gas hidrogen memiliki massa

\[ 2(2.0) = 4.0\text{ g} \]

Satu mol gas oksigen memiliki massa

\[ 1(32.0) = 32.0\text{ g} \]

Dua mol air memiliki massa

\[ 2(18.0) = 36.0\text{ g} \]

Jadi, hubungan massanya kira-kira

\[ 4.0\text{ g }\ce{H2} + 32.0\text{ g }\ce{O2} \rightarrow 36.0\text{ g }\ce{H2O} \]

Sekarang kekekalan massa terlihat jelas:

\[ 4.0 + 32.0 = 36.0 \]

Koefisien persamaan memberi tahu Anda berapa mol yang bereaksi, sedangkan massa molar memberi tahu Anda berapa massa mol-mol tersebut.

09Ketika metode sederhana memerlukan satu pertanyaan tambahan

Sejauh ini, setiap contoh hanya memberikan satu reaktan atau menyatakan bahwa reaktan lainnya tersedia dalam jumlah berlebih.

Namun, bagaimana jika sebuah soal memberikan massa dua reaktan?

Anda tidak dapat memilih salah satunya secara otomatis lalu langsung melakukan perhitungan.

Pertama, tanyakan:

Reaktan mana yang habis lebih dahulu?

Zat tersebut adalah reaktan pembatas. Setelah zat itu habis sepenuhnya, reaksi berhenti. Reaktan lain yang masih tersisa berada dalam jumlah berlebih.

Sebagai contoh:

\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]

Misalkan sebuah wadah berisi 2,0 mol \(\ce{H2}\) dan 2,0 mol \(\ce{O2}\).

Mana yang habis lebih dahulu?

Persamaan hanya memerlukan 1,0 mol \(\ce{O2}\) untuk setiap 2,0 mol \(\ce{H2}\). Oleh karena itu, 2,0 mol hidrogen bereaksi dengan 1,0 mol oksigen. Hidrogen habis, sedangkan 1,0 mol oksigen tersisa.

Jadi, jumlah maksimum produk yang mungkin terbentuk harus dihitung berdasarkan hidrogen, bukan berdasarkan seluruh oksigen yang tersedia.

Hal ini menjadi penting ketika stoikiometri massa-ke-massa berkembang menjadi perhitungan reaktan pembatas dan hasil teoritis.

10Cara cepat untuk memeriksa apakah jawaban Anda masuk akal

Kalkulator dapat menghasilkan jawaban salah yang tampak sangat rapi, jadi lakukan pemeriksaan secara fisik.

Tanyakan:

• Apakah persamaannya sudah setara?
• Apakah saya mengubah massa menjadi mol sebelum menggunakan koefisien?
• Apakah saya menggunakan perbandingan koefisien dengan arah yang benar?
• Apakah saya menggunakan massa molar zat yang benar?
• Jika suatu produk memperoleh atom dari reaktan lain, apakah massanya seharusnya lebih besar daripada massa sampel awal saya?
• Jika gas terlepas, apakah saya sudah membedakan massa bahan yang tersisa dari massa seluruh sistem?
• Jika diberikan jumlah dua reaktan, apakah saya sudah memeriksa reaktan mana yang membatasi reaksi?

Pemeriksaan tersebut dapat menemukan sebagian besar kesalahan stoikiometri massa sebelum kesalahan itu membuat Anda kehilangan beberapa nilai.

11Soal dan solusi

Soal 1

Besi bereaksi dengan sulfur menurut:

\[ \ce{Fe + S -> FeS} \]

Hitung massa besi sulfida yang terbentuk ketika 5,60 g besi bereaksi sempurna dengan sulfur berlebih.

Gunakan \(M(\ce{Fe}) = 55.8\text{ g mol}^{-1}\) dan \(M(\ce{FeS}) = 87.9\text{ g mol}^{-1}\).

Solusi 1

Massa besi sulfida yang terbentuk adalah 8,82 g.

Persamaan setara memberikan perbandingan mol \(1:1\) antara \(\ce{Fe}\) dan \(\ce{FeS}\).

Pertama, ubah besi menjadi mol:

\[ n(\ce{Fe}) = \frac{5.60\text{ g}}{55.8\text{ g mol}^{-1}} = 0.1004\text{ mol} \]

Oleh karena itu:

\[ n(\ce{FeS}) = 0.1004\text{ mol} \]

Sekarang ubah besi sulfida menjadi massa:

\[ m(\ce{FeS}) = (0.1004\text{ mol})(87.9\text{ g mol}^{-1}) = 8.82\text{ g} \]

Produk lebih berat daripada besi awal karena sulfur telah bergabung dengan atom-atom besi.

Soal 2

Hidrogen peroksida terurai menurut:

\[ \ce{2H2O2 -> 2H2O + O2} \]

Sebuah sampel yang mengandung 13,6 g hidrogen peroksida murni terurai sempurna. Hitung massa gas oksigen yang dihasilkan.

Gunakan \(M(\ce{H2O2}) = 34.0\text{ g mol}^{-1}\) dan \(M(\ce{O2}) = 32.0\text{ g mol}^{-1}\).

Solusi 2

Reaksi menghasilkan 6,40 g gas oksigen.

Pertama, tentukan jumlah hidrogen peroksida:

\[ n(\ce{H2O2}) = \frac{13.6\text{ g}}{34.0\text{ g mol}^{-1}} = 0.400\text{ mol} \]

Persamaan setara memberikan:

\[ 2\text{ mol }\ce{H2O2} : 1\text{ mol }\ce{O2} \]

Oleh karena itu:

\[ n(\ce{O2}) = 0.400\text{ mol} \times \frac{1}{2} = 0.200\text{ mol} \]

Sekarang ubah menjadi massa:

\[ m(\ce{O2}) = (0.200\text{ mol})(32.0\text{ g mol}^{-1}) = 6.40\text{ g} \]

Kesalahannya adalah menganggap reaksi memiliki perbandingan \(1:1\). Koefisien menunjukkan bahwa diperlukan dua mol hidrogen peroksida untuk setiap satu mol oksigen yang dihasilkan.

Soal 3

Aluminium bereaksi dengan oksigen menurut:

\[ \ce{4Al + 3O2 -> 2Al2O3} \]

Sampel aluminium sebanyak 10,8 g bereaksi sempurna dengan oksigen berlebih.

Hitung:

a. jumlah aluminium yang digunakan, dalam mol
b. jumlah aluminium oksida yang terbentuk, dalam mol
c. massa aluminium oksida yang dihasilkan

Gunakan \(M(\ce{Al}) = 27.0\text{ g mol}^{-1}\) dan \(M(\ce{Al2O3}) = 102.0\text{ g mol}^{-1}\).

Solusi 3

Sampel mengandung 0,400 mol aluminium, menghasilkan 0,200 mol aluminium oksida, dan membentuk 20,4 g \(\ce{Al2O3}\).

Untuk bagian a:

\[ n(\ce{Al}) = \frac{10.8\text{ g}}{27.0\text{ g mol}^{-1}} = 0.400\text{ mol} \]

Untuk bagian b, persamaan memberikan:

\[ 4\text{ mol Al} : 2\text{ mol }\ce{Al2O3} \]

Oleh karena itu:

\[ n(\ce{Al2O3}) = 0.400 \times \frac{2}{4} = 0.200\text{ mol} \]

Untuk bagian c:

\[ m(\ce{Al2O3}) = (0.200\text{ mol})(102.0\text{ g mol}^{-1}) = 20.4\text{ g} \]

Produk memiliki massa hampir dua kali massa aluminium awal karena oksigen dari persediaan di sekitarnya telah tergabung ke dalam aluminium oksida.

Soal 4

Tembaga(II) karbonat terurai saat dipanaskan:

\[ \ce{CuCO3 -> CuO + CO2} \]

Seorang siswa memanaskan 12,4 g \(\ce{CuCO3}\) murni dalam wadah terbuka hingga reaksi selesai.

Gunakan:

\[ M(\ce{CuCO3}) = 123.5\text{ g mol}^{-1} \]

\[ M(\ce{CuO}) = 79.5\text{ g mol}^{-1} \]

Siswa tersebut mengatakan:

“Hukum kekekalan massa pasti telah gagal karena bahan yang tersisa di dalam wadah memiliki massa kurang dari 12,4 g.”

Hitung massa yang diperkirakan tersisa di dalam wadah dan jelaskan apakah kesimpulan siswa tersebut benar.

Solusi 4

Sekitar 7,98 g zat padat tersisa, dan kesimpulan siswa tersebut tidak benar karena massa terukur yang tampak hilang telah meninggalkan wadah terbuka dalam bentuk gas karbon dioksida.

Pertama, hitung jumlah tembaga(II) karbonat:

\[ n(\ce{CuCO3}) = \frac{12.4\text{ g}}{123.5\text{ g mol}^{-1}} = 0.1004\text{ mol} \]

Persamaan setara memberikan perbandingan \(1:1\) antara \(\ce{CuCO3}\) dan \(\ce{CuO}\), sehingga:

\[ n(\ce{CuO}) = 0.1004\text{ mol} \]

Massa tembaga(II) oksida adalah:

\[ m(\ce{CuO}) = (0.1004\text{ mol})(79.5\text{ g mol}^{-1}) = 7.98\text{ g} \]

Jadi, penurunan massa yang tampak adalah:

\[ 12.4 - 7.98 = 4.42\text{ g} \]

Massa tersebut tidak musnah. Massa itu berkaitan dengan \(\ce{CO2}\) yang terlepas dari wadah terbuka.

Kesalahan siswa tersebut adalah memperlakukan “zat padat yang tersisa di atas neraca” seolah-olah merupakan seluruh sistem yang bereaksi. Kekekalan massa berlaku ketika semua reaktan dan produk diperhitungkan.

Soal 5

Metana terbakar menurut:

\[ \ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O} \]

Seorang siswa memiliki 8,00 g metana dan 24,0 g gas oksigen.

Siswa tersebut menghitung massa karbon dioksida hanya berdasarkan metana dan menyatakan bahwa seluruh 8,00 g metana akan bereaksi.

Tentukan apakah cara ini benar dan hitung massa karbon dioksida yang benar-benar dapat terbentuk.

Gunakan \(M(\ce{CH4}) = 16.0\text{ g mol}^{-1}\), \(M(\ce{O2}) = 32.0\text{ g mol}^{-1}\), dan \(M(\ce{CO2}) = 44.0\text{ g mol}^{-1}\).

Solusi 5

Metode siswa tersebut tidak benar. Oksigen adalah reaktan pembatas, sehingga hanya 16,5 g karbon dioksida yang dapat terbentuk.

Pertama, hitung jumlah masing-masing reaktan.

Untuk metana:

\[ n(\ce{CH4}) = \frac{8.00\text{ g}}{16.0\text{ g mol}^{-1}} = 0.500\text{ mol} \]

Untuk oksigen:

\[ n(\ce{O2}) = \frac{24.0\text{ g}}{32.0\text{ g mol}^{-1}} = 0.750\text{ mol} \]

Persamaan memerlukan:

\[ 1\text{ mol }\ce{CH4} : 2\text{ mol }\ce{O2} \]

Untuk mereaksikan seluruh \(0.500\) mol metana diperlukan:

\[ 0.500 \times 2 = 1.00\text{ mol }\ce{O2} \]

Hanya tersedia \(0.750\) mol oksigen, sehingga oksigen habis lebih dahulu.

Gunakan reaktan pembatas untuk menghitung produk.

Dari persamaan setara:

\[ 2\text{ mol }\ce{O2} : 1\text{ mol }\ce{CO2} \]

Oleh karena itu:

\[ n(\ce{CO2}) = 0.750 \times \frac{1}{2} = 0.375\text{ mol} \]

Kemudian:

\[ m(\ce{CO2}) = (0.375\text{ mol})(44.0\text{ g mol}^{-1}) = 16.5\text{ g} \]

Kesalahannya adalah menganggap bahwa massa reaktan yang diberikan pasti akan habis seluruhnya. Ketika jumlah beberapa reaktan diberikan, Anda perlu menentukan reaktan mana yang membatasi reaksi sebelum menghitung massa produk.

Soal 6

Sebuah logam \(X\) membentuk oksida menurut:

\[ \ce{4X + 3O2 -> 2X2O3} \]

Sampel \(X\) sebanyak 5,40 g bereaksi sempurna dengan oksigen dan menghasilkan 10,20 g \(\ce{X2O3}\).

Tanpa diberikan massa molar \(X\), tentukan perkiraan massa molar logam tersebut.

Solusi 6

Massa molar logam tersebut kira-kira \(27.0\text{ g mol}^{-1}\).

Produk bertambah massanya karena oksigen ditambahkan ke logam awal.

Massa oksigen yang tergabung adalah:

\[ m(\ce{O2}) = 10.20 - 5.40 = 4.80\text{ g} \]

Ubah oksigen ini menjadi mol:

\[ n(\ce{O2}) = \frac{4.80\text{ g}}{32.0\text{ g mol}^{-1}} = 0.150\text{ mol} \]

Dari persamaan:

\[ \ce{4X + 3O2 -> 2X2O3} \]

perbandingan molnya adalah:

\[ 3\text{ mol }\ce{O2} : 4\text{ mol }X \]

Oleh karena itu:

\[ n(X) = 0.150 \times \frac{4}{3} = 0.200\text{ mol} \]

Dengan demikian, sampel logam 5,40 g mengandung \(0.200\) mol.

Dengan menggunakan

\[ M = \frac{m}{n} \]

diperoleh:

\[ M(X) = \frac{5.40\text{ g}}{0.200\text{ mol}} = 27.0\text{ g mol}^{-1} \]

Langkah yang lebih sulit di sini adalah menyadari bahwa kenaikan massa menunjukkan berapa banyak oksigen yang bereaksi. Setelah hal tersebut dikenali, logika stoikiometri yang sama dapat digunakan secara terbalik.

12Apa yang dapat dipelajari selanjutnya dari metode ini

Stoikiometri massa-ke-massa pada dasarnya adalah soal perbandingan mol dengan konversi massa pada kedua ujungnya.

Setelah struktur tersebut jelas,

\[ \text{massa} \rightarrow \text{mol} \rightarrow \text{perbandingan mol} \rightarrow \text{mol} \rightarrow \text{massa} \]

Anda dapat memperluas penalaran yang sama ke soal HSC yang lebih sulit yang melibatkan reaktan pembatas, hasil teoritis, persentase hasil, konsentrasi larutan, volume gas, dan analisis eksperimen.

Format perhitungannya sedikit berubah dalam setiap kasus. Gagasan utamanya tetap sama: persamaan setara memberi tahu Anda bagaimana jumlah zat saling berhubungan, dan mol adalah jembatan yang memungkinkan Anda menggunakan hubungan tersebut.