Komposisi Persentase dan Rumus Empiris: Kimia HSC

Sebuah senyawa memiliki 50,0% sulfur dan 50,0% oksigen berdasarkan massa. Apakah Anda akan memperkirakan rumusnya adalah \(\ce{SO}\), karena persentasenya sama?

Perkiraan itu terasa masuk akal, tetapi mencampuradukkan massa dengan jumlah partikel. Dalam 50,0 g sulfur terdapat lebih sedikit atom dibandingkan dalam 50,0 g oksigen karena atom sulfur lebih berat. Setelah kita mengubah setiap massa menjadi mol, perbandingannya sekitar 1 mol atom sulfur terhadap 2 mol atom oksigen. Massa yang sama dapat menyembunyikan perbandingan jumlah partikel yang tidak sama.

Itulah inti masalah yang diselesaikan oleh topik ini. Komposisi persentase memberi tahu Anda bagaimana massa terbagi. Rumus empiris memberi tahu Anda perbandingan bilangan bulat paling sederhana dari atom-atom. Mol adalah penghubung di antara keduanya.

01Dari massa ke perbandingan partikel

Bayangkan dua kantong, masing-masing bermassa 1 kg. Satu berisi bola boling dan yang lainnya berisi bola tenis. Massanya sama, tetapi jumlah bolanya tentu tidak sama.

Unsur bekerja dengan cara yang serupa. Satu mol atom karbon dan satu mol atom oksigen mengandung jumlah atom yang sama, tetapi memiliki massa yang berbeda. Jadi, Anda tidak dapat menggunakan massa secara langsung sebagai subskrip dalam rumus.

Analogi ini memiliki batas. Atom bukanlah bola-bola makroskopis kecil yang berada terpisah-pisah di dalam suatu senyawa. Yang penting di sini hanyalah gagasan tentang penghitungan: jika benda-benda memiliki massa yang berbeda, menimbangnya tidak secara langsung memberi tahu Anda berapa banyak jumlahnya.

Kimiawan mengubah massa menjadi jumlah zat menggunakan

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

dengan:

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

Jika konversi ini masih terasa belum mantap, tinjau kembali mol dari massa dan massa molar sebelum melanjutkan. Hampir setiap perhitungan rumus empiris bergantung padanya.

02Menghitung komposisi persentase dari suatu rumus

Misalkan Anda sudah mengetahui rumus suatu senyawa. Komposisi persentase menanyakan:

Berapa persen dari massa total senyawa yang berasal dari setiap unsur?

Untuk suatu unsur \(X\),

\[ \% \text{ berdasarkan massa dari }X = \frac{\text{massa yang disumbangkan oleh }X\text{ dalam 1 mol senyawa}} {\text{massa molar senyawa}} \times 100 \]

Frasa pentingnya adalah massa yang disumbangkan. Jika suatu unsur muncul lebih dari sekali dalam rumus, Anda harus memasukkan setiap atom dari unsur tersebut.

Sebagai contoh, \(\ce{Mg(NO3)2}\) mengandung:

• 1 atom Mg
• 2 atom N
• 6 atom O

Kesalahan yang umum adalah melihat angka 3 di samping oksigen lalu hanya menggunakan tiga atom oksigen. Angka 2 di luar tanda kurung mengalikan semua yang berada di dalam tanda kurung.

03Membalik proses: dari komposisi ke rumus empiris

Sekarang balik persoalannya.

Anda diberi massa atau persentase dan perlu menemukan perbandingan atom paling sederhana.

Rumus empiris adalah perbandingan bilangan bulat paling sederhana dari unsur-unsur dalam suatu senyawa. Sebagai contoh, senyawa dengan perbandingan karbon : hidrogen : oksigen sebesar \(1:2:1\) memiliki rumus empiris \(\ce{CH2O}\).

Gagasan utamanya adalah:

data massa -> jumlah mol -> perbandingan mol -> perbandingan bilangan bulat

Langkah 1: Ubah persentase menjadi massa jika diperlukan

Jika soal memberikan persentase, bayangkan Anda memiliki tepat 100 g senyawa.

Maka:

• 37,0% menjadi 37,0 g
• 12,5% menjadi 12,5 g
• 50,5% menjadi 50,5 g

Ini bukan berarti sampel laboratorium tersebut benar-benar bermassa 100 g. Ini adalah kemudahan matematis. Persentase berarti “per seratus”, sehingga sampel 100 g membuat setiap nilai persentase secara numerik sama dengan massa dalam gram.

Jika soal sudah memberikan massa sebenarnya, jangan mengubahnya menjadi persentase terlebih dahulu. Gunakan massanya secara langsung.

Langkah 2: Ubah setiap massa menjadi mol

Bagi massa setiap unsur dengan massa molarnya.

Ini adalah langkah yang sangat penting. Rumus empiris menggambarkan perbandingan partikel, sehingga massa harus diubah menjadi jumlah partikel.

Langkah 3: Bagi setiap jumlah mol dengan yang terkecil

Misalkan jumlah mol Anda adalah

\[ 0.150,\quad 0.300,\quad 0.150 \]

Bagi ketiganya dengan \(0.150\):

\[ 1.00:2.00:1.00 \]

Rumus empirisnya akan memiliki perbandingan \(1:2:1\).

Langkah 4: Tentukan apakah perbandingannya benar-benar berupa bilangan bulat

Di sinilah siswa sering kehilangan nilai meskipun perhitungan sebelumnya sudah benar.

Data eksperimen dan massa atom jarang menghasilkan perbandingan seperti tepat 2.000000. Anda mungkin memperoleh \(1.00:1.99:1.01\). Nilai ini jelas konsisten dengan \(1:2:1\).

Namun, misalkan Anda mendapatkan \(1.00:1.50\). Jangan membulatkan 1,50 menjadi 1 atau 2. Kedua pilihan tersebut tidak mempertahankan perbandingannya.

Sebaliknya, kalikan setiap bagian dari perbandingan dengan bilangan bulat kecil yang sama:

\[ 1.00:1.50 \]

Kalikan keduanya dengan 2:

\[ 2.00:3.00 \]

Jadi, perbandingan bilangan bulatnya adalah \(2:3\).

Pola-pola berikut berguna:

Ini adalah aturan pengambilan keputusan, bukan izin untuk memaksakan data yang tidak rapi agar sesuai dengan suatu rumus. Perbandingan seperti \(1.00:1.47\) mungkin secara masuk akal dianggap dekat dengan \(1:1.5\) jika pengukurannya memiliki ketelitian terbatas. Perbandingan seperti \(1.00:1.82\) memerlukan pertimbangan lebih lanjut. Anda tidak boleh secara otomatis memilih bilangan bulat mana pun yang kebetulan paling dekat.

04Perhitungan rumus empiris sederhana

05Ketika perbandingan tidak langsung berupa bilangan bulat

Kesalahan yang paling menggoda adalah membulatkan terlalu agresif.

Bayangkan sebuah aplikasi kencan entah bagaimana melaporkan bahwa untuk setiap 1 orang dalam kelompok A, terdapat 1,5 orang dalam kelompok B. Jelas, tidak ada yang membawa setengah orang saat berkencan. Namun, membulatkan 1,5 turun menjadi 1 mengubah perbandingan, dan membulatkannya naik menjadi 2 juga mengubah perbandingan.

Langkah yang masuk akal adalah memperbesar seluruh kelompok: 2 orang di A untuk setiap 3 orang di B.

Itulah tepatnya yang Anda lakukan dengan perbandingan rumus empiris. Analogi ini tidak sepenuhnya berlaku karena atom tidak sedang memilih reservasi makan malam, tetapi logika penskalaannya sama.

06Tiga kesalahan yang benar-benar perlu dihindari

Kesalahan 1: Menggunakan persentase sebagai subskrip

Misalkan suatu zat terdiri dari 40% unsur A dan 60% unsur B.

Hal itu tidak berarti rumus empirisnya memiliki perbandingan atom \(40:60\), atau \(2:3\). Angka-angka tersebut adalah persentase massa.

Anda terlebih dahulu harus membagi setiap massa dengan massa molar yang sesuai.

Kesalahan 2: Membulatkan sebelum memperoleh perbandingan lengkap

Pertahankan beberapa angka penting saat menghitung mol dan membagi perbandingan.

Sebagai contoh,

\[ 1.00:1.49 \]

jauh lebih informatif daripada terlalu dini menulis

\[ 1:1 \]

Nilai 1,49 merupakan petunjuk kuat bahwa perbandingan yang dimaksud mungkin \(1:1.5\), yang menjadi \(2:3\).

Kesalahan 3: Menganggap rumus empiris dan rumus molekul sebagai hal yang sama

Rumus empiris hanyalah perbandingan bilangan bulat paling sederhana.

Sebagai contoh, rumus-rumus

\[ \ce{CH2O},\qquad \ce{C2H4O2},\qquad \ce{C6H12O6} \]

semuanya memiliki perbandingan karbon : hidrogen : oksigen paling sederhana yang sama, yaitu \(1:2:1\).

Karena itu, komposisi persentase dapat mengidentifikasi suatu perbandingan empiris tanpa secara unik mengidentifikasi zat tersebut.

07Ketika satu persentase tidak diberikan

Terkadang sebuah soal memberikan persentase beberapa unsur dan mengharapkan Anda menentukan sisanya dengan pengurangan.

Jika suatu senyawa diketahui mengandung hanya karbon, hidrogen, dan oksigen, serta komposisinya adalah:

• 52,0% karbon
• 13,0% hidrogen

maka oksigen harus menyusun

\[ 100.0-52.0-13.0=35.0\% \]

Namun, perhatikan asumsi tersembunyinya: senyawa tersebut harus mengandung hanya ketiga unsur tersebut.

Jika nitrogen, sulfur, atau unsur lain juga mungkin ada, Anda tidak dapat begitu saja menyebut persentase yang hilang sebagai oksigen. Perhitungannya mungkin benar secara aritmetika, tetapi kesimpulan kimianya tidak dapat dibenarkan.

08Pertanyaan dan solusi

Pertanyaan 1

Hitung persentase berdasarkan massa kalsium dan klorin dalam \(\ce{CaCl2}\). Gunakan Ca = \(40.08\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) dan Cl = \(35.45\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).

Solusi 1

Komposisinya adalah 36,1% kalsium dan 63,9% klorin berdasarkan massa.

Pertama, tentukan massa molar:

\[ \begin{aligned} M(\ce{CaCl2}) &=40.08+2(35.45)\\ &=110.98\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \end{aligned} \]

Sekarang hitung setiap persentase massa:

\[ \begin{aligned} \%\,\ce{Ca} &=\frac{40.08}{110.98}\times100\\ &=36.1\%\\ \%\,\ce{Cl} &=\frac{70.90}{110.98}\times100\\ &=63.9\% \end{aligned} \]

Kedua persentase tersebut berjumlah 100,0%, yang merupakan pemeriksaan yang berguna.

Hal pentingnya adalah bahwa klorin menyumbangkan \(2(35.45)=70.90\) g per mol \(\ce{CaCl2}\), karena terdapat dua ion klorida untuk setiap satu ion kalsium dalam perbandingan rumus.

Pertanyaan 2

Suatu senyawa mengandung 50,0% sulfur dan 50,0% oksigen berdasarkan massa. Tentukan rumus empirisnya. Gunakan S = \(32.06\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) dan O = \(16.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).

Solusi 2

Rumus empirisnya adalah \(\ce{SO2}\), bukan \(\ce{SO}\).

Asumsikan sampel 100 g. Sampel tersebut mengandung 50,0 g S dan 50,0 g O.

Ubah massa ini menjadi mol:

\[ \begin{aligned} n(\ce{S})&=\frac{50.0}{32.06}=1.560\ \mathrm{mol}\\ n(\ce{O})&=\frac{50.0}{16.00}=3.125\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]

Bagi keduanya dengan nilai yang lebih kecil:

\[ \ce{S}:\ce{O} = \frac{1.560}{1.560}:\frac{3.125}{1.560} = 1.000:2.003 \]

Nilai ini pada dasarnya sama dengan

\[ 1:2 \]

sehingga rumus empirisnya adalah

\[ \boxed{\ce{SO2}} \]

Jebakannya adalah menganggap persentase massa yang sama berarti jumlah atom yang sama. Oksigen memiliki massa molar lebih rendah daripada sulfur, sehingga 50,0 g oksigen mengandung sekitar dua kali lebih banyak mol atom dibandingkan 50,0 g sulfur.

Pertanyaan 3

Suatu oksida nitrogen diketahui mengandung 36,9% nitrogen dan 63,1% oksigen berdasarkan massa. Tentukan rumus empirisnya. Gunakan N = \(14.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) dan O = \(16.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).

Solusi 3

Rumus empirisnya adalah \(\ce{N2O3}\).

Asumsikan 100 g senyawa:

\[ m(\ce{N})=36.9\ \mathrm{g}, \qquad m(\ce{O})=63.1\ \mathrm{g} \]

Ubah menjadi mol:

\[ \begin{aligned} n(\ce{N})&=\frac{36.9}{14.01}=2.634\ \mathrm{mol}\\ n(\ce{O})&=\frac{63.1}{16.00}=3.944\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]

Bagi dengan \(2.634\) mol:

\[ \ce{N}:\ce{O} = 1.000:1.497 \]

Perbandingan oksigen sangat dekat dengan 1,5. Membulatkan 1,497 secara langsung menjadi 1 atau 2 akan mengubah perbandingannya.

Kalikan kedua nilai dengan 2:

\[ 2.000:2.994\approx2:3 \]

Oleh karena itu,

\[ \boxed{\ce{N2O3}} \]

Keputusan pentingnya adalah mengenali perbandingan setengah bilangan bulat dan mengalikan kedua angka dengan 2.

Pertanyaan 4

Analisis suatu senyawa menghasilkan 54,5% karbon dan 9,1% hidrogen berdasarkan massa. Senyawa tersebut diketahui hanya mengandung karbon, hidrogen, dan oksigen.

Tentukan rumus empirisnya. Kemudian jelaskan mengapa perhitungan yang sama tidak dapat dibenarkan jika daftar unsur yang ada tidak diketahui.

Gunakan C = \(12.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), H = \(1.008\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), dan O = \(16.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).

Solusi 4

Rumus empirisnya adalah \(\ce{C2H4O}\), tetapi kesimpulan tersebut bergantung pada pengetahuan bahwa karbon, hidrogen, dan oksigen adalah satu-satunya unsur yang ada.

Karena ketiga unsur tersebut harus menyusun 100% dari massa, persentase oksigen adalah

\[ 100.0-54.5-9.1=36.4\% \]

Untuk sampel 100 g:

\[ m(\ce{C})=54.5\ \mathrm{g},\qquad m(\ce{H})=9.1\ \mathrm{g},\qquad m(\ce{O})=36.4\ \mathrm{g} \]

Ubah menjadi mol:

\[ \begin{aligned} n(\ce{C})&=\frac{54.5}{12.01}=4.538\ \mathrm{mol}\\ n(\ce{H})&=\frac{9.1}{1.008}=9.028\ \mathrm{mol}\\ n(\ce{O})&=\frac{36.4}{16.00}=2.275\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]

Bagi setiap nilai dengan \(2.275\) mol:

\[ \ce{C}:\ce{H}:\ce{O} = 1.995:3.968:1.000 \]

Nilai-nilai ini konsisten dengan

\[ 2:4:1 \]

sehingga rumus empirisnya adalah

\[ \boxed{\ce{C2H4O}} \]

Jika unsur-unsur yang ada tidak diketahui, langkah pengurangan tersebut tidak dapat dibenarkan. Sebanyak 36,4% yang hilang dapat mencakup nitrogen, sulfur, atau unsur lain alih-alih seluruhnya berupa oksigen. Asumsi tersembunyinya bersifat kimiawi, bukan matematis.

Pertanyaan 5

Dua senyawa murni hanya mengandung karbon, hidrogen, dan oksigen. Keduanya diukur memiliki 40,0% karbon, 6,7% hidrogen, dan 53,3% oksigen berdasarkan massa.

Senyawa A memiliki massa molar sekitar \(60.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). Senyawa B memiliki massa molar sekitar \(180\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).

Tentukan rumus empiris keduanya. Kemudian tentukan apakah komposisi persentase yang identik membuktikan bahwa A dan B adalah senyawa yang sama. Jika memungkinkan, tentukan rumus molekul yang konsisten dengan masing-masing massa molar.

Gunakan C = \(12.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), H = \(1.008\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), dan O = \(16.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).

Solusi 5

Kedua senyawa memiliki rumus empiris \(\ce{CH2O}\), tetapi keduanya belum tentu merupakan senyawa yang sama. Massa molar yang diberikan konsisten dengan rumus molekul \(\ce{C2H4O2}\) untuk A dan \(\ce{C6H12O6}\) untuk B.

Mulailah dengan sampel 100 g:

\[ m(\ce{C})=40.0\ \mathrm{g},\qquad m(\ce{H})=6.7\ \mathrm{g},\qquad m(\ce{O})=53.3\ \mathrm{g} \]

Ubah menjadi mol:

\[ \begin{aligned} n(\ce{C})&=\frac{40.0}{12.01}=3.331\ \mathrm{mol}\\ n(\ce{H})&=\frac{6.7}{1.008}=6.647\ \mathrm{mol}\\ n(\ce{O})&=\frac{53.3}{16.00}=3.331\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]

Bagi dengan jumlah terkecil:

\[ \ce{C}:\ce{H}:\ce{O} = 1.000:1.996:1.000 \approx 1:2:1 \]

Jadi, keduanya memiliki rumus empiris

\[ \boxed{\ce{CH2O}} \]

Massa rumus empirisnya adalah

\[ 12.01+2(1.008)+16.00 = 30.026\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \]

Untuk senyawa A:

\[ \frac{60.0}{30.026}\approx2 \]

sehingga rumus molekulnya dapat terdiri dari dua unit empiris:

\[ (\ce{CH2O})_2=\boxed{\ce{C2H4O2}} \]

Untuk senyawa B:

\[ \frac{180}{30.026}\approx6 \]

sehingga rumus molekulnya dapat berupa

\[ (\ce{CH2O})_6=\boxed{\ce{C6H12O6}} \]

Jebakannya adalah menganggap komposisi persentase yang identik secara unik mengidentifikasi suatu senyawa. Komposisi persentase menentukan kontribusi massa relatif, yang menentukan perbandingan empiris, tetapi rumus molekul yang berbeda dapat memiliki perbandingan yang sama.

09Apa yang dapat Anda tentukan selanjutnya dari rumus empiris

Komposisi persentase membawa Anda dari massa yang diukur menuju perbandingan partikel paling sederhana. Urutannya perlu dapat Anda susun kembali tanpa menghafal trik-trik yang terpisah:

\[ \text{massa atau persentase} \rightarrow \text{mol} \rightarrow \text{bagi dengan yang terkecil} \rightarrow \text{perbandingan bilangan bulat} \rightarrow \text{rumus empiris} \]

Pertanyaan berikutnya sering kali adalah apakah perbandingan paling sederhana tersebut merupakan rumus molekul sebenarnya dari senyawa.

Jika massa molar senyawa diketahui, bandingkan dengan massa rumus empirisnya. Perbandingan keduanya memberi tahu Anda berapa banyak unit empiris yang terdapat dalam satu rumus molekul:

\[ k= \frac{\text{massa molar senyawa}} {\text{massa rumus empiris}} \]

dengan \(k\) seharusnya mendekati bilangan bulat positif. Rumus molekul kemudian diperoleh dengan mengalikan setiap subskrip dalam rumus empiris dengan \(k\).

Jadi, keputusan pentingnya bukan hanya “Rumus apa yang saya hitung?” melainkan “Apakah saya diminta mencari perbandingan paling sederhana, atau rumus molekul sebenarnya?” Perbedaan inilah yang mengubah komposisi persentase dari sekadar perhitungan menjadi bukti mengenai komposisi kimia.