Kekekalan Massa dalam Reaksi Kimia: Kimia HSC

Sepotong magnesium ditimbang, dipanaskan kuat di udara, lalu ditimbang kembali. Padatan tersebut menjadi lebih berat setelah reaksi.

Kedengarannya salah. Jika reaksi kimia mematuhi hukum kekekalan massa, dari mana massa tambahan itu berasal?

Sebelum melanjutkan membaca, buatlah prediksi. Penjelasan mana yang lebih baik?

• Reaksi tersebut menciptakan massa baru.
• Sesuatu dari lingkungan menjadi bagian dari padatan.

Jawabannya adalah yang kedua. Magnesium bereaksi dengan oksigen dari udara. Jika Anda hanya menimbang padatan yang mengandung magnesium, massa yang terukur meningkat karena oksigen telah masuk ke bagian sistem yang Anda ukur.

Perbedaan inilah yang menjadi kunci untuk memahami hukum kekekalan massa dengan benar. Kekekalan massa bukanlah pernyataan bahwa setiap benda yang Anda letakkan di atas timbangan harus selalu memiliki massa yang sama. Ini adalah pernyataan tentang memperhitungkan seluruh materi yang terlibat dalam suatu reaksi.

01Mulailah dengan menentukan apa yang berada di dalam sistem Anda

Bayangkan Anda meletakkan sebuah kotak makan di atas timbangan. Seseorang diam-diam memasukkan sebuah apel ke dalamnya. Angka pada timbangan meningkat.

Tidak ada massa yang diciptakan. Massa masuk ke dalam kotak makan.

Sekarang bayangkan seseorang mengambil apel itu saat Anda tidak melihat. Angka pada timbangan menurun. Sekali lagi, tidak ada massa yang lenyap dari keberadaan. Massa tersebut keluar dari sistem yang Anda pilih untuk diukur.

Eksperimen kimia bekerja dengan cara yang sama, hanya saja materi yang keluar atau masuk sering kali berupa gas yang tidak terlihat.

Sistem adalah bagian dari alam semesta yang sedang Anda lacak. Lingkungan adalah segala sesuatu di luarnya.

Untuk suatu reaksi kimia, neraca massa dapat dituliskan sebagai:

\[
m_{\text{akhir}} = m_{\text{awal}} + m_{\text{masuk}} – m_{\text{keluar}}
\]

dengan:

• \(m_{\text{akhir}}\) adalah massa akhir di dalam sistem
• \(m_{\text{awal}}\) adalah massa awal di dalam sistem
• \(m_{\text{masuk}}\) adalah massa yang masuk dari lingkungan
• \(m_{\text{keluar}}\) adalah massa yang keluar menuju lingkungan

Dalam sistem tertutup, materi tidak dapat masuk atau keluar. Oleh karena itu \(m_{\text{masuk}} = 0\) dan \(m_{\text{keluar}} = 0\), sehingga:

\[
m_{\text{akhir}} = m_{\text{awal}}
\]

Itulah bentuk hukum kekekalan massa yang paling sering Anda gunakan dalam Kimia HSC.

02Mengapa menyetarakan persamaan pada dasarnya adalah perhitungan massa

Perhatikan reaksi antara hidrogen dan oksigen:

\[
\ce{2H2(g) + O2(g) -> 2H2O(l)}
\]

Suatu persamaan kimia disetarakan karena jumlah atom setiap unsur sama sebelum dan sesudah reaksi.

Di sebelah kiri:

• 4 atom hidrogen
• 2 atom oksigen

Di sebelah kanan:

• 4 atom hidrogen
• 2 atom oksigen

Atom-atom tersebut telah disusun ulang. Atom-atom itu tidak menghilang atau muncul begitu saja.

Perhitungan atom tersebut menjadi perhitungan massa ketika kita menggunakan massa molar.

Dengan menggunakan \(M(\ce{H2}) = 2.016\ \text{g mol}^{-1}\), \(M(\ce{O2}) = 32.00\ \text{g mol}^{-1}\), dan \(M(\ce{H2O}) = 18.016\ \text{g mol}^{-1}\):

\[
\begin{aligned}
\text{massa pereaksi} &= 2(2.016) + 1(32.00)\\
&= 36.032\ \text{g}
\end{aligned}
\]

dan

\[
\begin{aligned}
\text{massa produk} &= 2(18.016)\\
&= 36.032\ \text{g}
\end{aligned}
\]

Koefisien tidak berarti bahwa massa-massanya berada dalam perbandingan 2:1:2. Koefisien menunjukkan perbandingan jumlah zat yang bereaksi dalam mol.

Massa masuk ke dalam perhitungan melalui massa molar.

03Stoikiometri yang perlu Anda kuasai

Tiga besaran menghubungkan sebagian besar perhitungan kekekalan massa:

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

dengan:

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

Metode yang dapat diandalkan adalah:

1. Tulis dan setarakan persamaan kimia.
2. Ubah massa yang diketahui menjadi mol.
3. Gunakan perbandingan mol dari persamaan.
4. Ubah jumlah mol yang diperlukan kembali menjadi massa.
5. Tentukan apakah ada zat yang masuk atau keluar dari sistem yang diukur.

Langkah 5 sering kali menjadi pembeda antara penjelasan kekekalan massa yang benar dan perhitungan yang tidak memiliki makna fisik.

04Mengapa wadah terbuka dapat kehilangan massa

Misalkan kalsium karbonat dipanaskan:

\[
\ce{CaCO3(s) -> CaO(s) + CO2(g)}
\]

Jika reaksi berlangsung dalam krus terbuka, karbon dioksida dapat keluar ke udara ruangan.

Prediksikan apa yang terjadi pada massa yang tercatat untuk krus dan isinya. Apakah massanya tetap karena massa kekal?

Tidak. Massa yang terukur berkurang karena \(\ce{CO2}\) keluar dari sistem yang diukur.

Jika Anda dapat mengumpulkan karbon dioksida yang keluar dan memasukkannya dalam pengukuran akhir, massa total tetap akan sama dengan massa awal.

05Mengapa wadah terbuka dapat mengalami pertambahan massa

Kehilangan massa bukan satu-satunya jebakan.

Magnesium terbakar dalam oksigen:

\[
\ce{2Mg(s) + O2(g) -> 2MgO(s)}
\]

Jika Anda memulai dengan hanya menimbang magnesium, magnesium oksida akhir dapat memiliki massa yang lebih besar.

Dari mana massa tambahan itu berasal?

Oksigen sudah ada di udara sekitar. Selama reaksi, atom-atom oksigen masuk ke padatan yang diukur dan menjadi bagian dari magnesium oksida.

06Kesalahpahaman yang paling umum: “Angka pada timbangan berubah, jadi massa tidak kekal”

Timbangan hanya mengukur materi yang tetap berada di dalam batas fisik yang Anda pilih.

Artinya, perubahan massa yang diamati sering kali merupakan bukti bahwa materi telah melintasi batas tersebut.

Ada batas penting pada baris terakhir tersebut. Anda tidak dapat secara otomatis menyalahkan setiap ketidaksesuaian pada “kesalahan eksperimen”. Stoikiometri memberikan prediksi yang spesifik, sehingga besar dan arah ketidaksesuaian dapat membantu Anda menentukan apa yang mungkin terjadi.

Sebagai contoh, jika suatu reaksi seharusnya melepaskan \(0.50\ \text{g}\) gas tetapi kehilangan massa yang terukur hanya \(0.30\ \text{g}\), sebagian gas mungkin masih berada di dalam alat, atau reaksi mungkin belum berlangsung hingga selesai.

Jika kehilangan massa yang terukur adalah \(0.80\ \text{g}\), keluarnya gas reaksi saja tidak dapat menjelaskannya. Hal lain, seperti penguapan pelarut atau hilangnya tetesan, juga harus dipertimbangkan.

07Sistem tertutup bukan berarti “tidak terjadi apa-apa”

Bayangkan dua larutan berada di dalam labu tertutup rapat. Keduanya bereaksi dan menghasilkan gas. Anda dapat melihat gelembung terbentuk, tekanan dapat meningkat, dan zat-zat yang ada dapat berubah sepenuhnya.

Apakah massa labu tertutup beserta seluruh isinya akan berubah?

Pada tingkat HSC, tidak.

Gas tersebut masih berada di dalam labu. Lokasi dan bentuk kimianya telah berubah, tetapi gas itu tidak melintasi batas sistem.

Inilah sebabnya sistem reaksi tertutup berguna ketika mendemonstrasikan kekekalan massa. Sistem tersebut mencegah produk gas yang tidak terlihat keluar diam-diam di tengah eksperimen dan membuat hasilnya tampak membingungkan.

Ada poin fisika yang lebih mendalam di sini. Reaksi kimia melibatkan perubahan energi yang sangat kecil yang, melalui \(E = mc^2\), berkaitan dengan perubahan massa yang amat sangat kecil. Perubahan tersebut jauh di bawah batas yang dapat dideteksi oleh pengukuran kimia biasa pada tingkat HSC. Untuk stoikiometri HSC, massa diperlakukan sebagai besaran yang kekal dalam reaksi kimia.

08Kekekalan tidak berarti setiap pereaksi habis digunakan

Kesalahan lain yang mudah terjadi adalah menjumlahkan semua massa pereaksi, menghitung massa produk, lalu menganggap setiap pereaksi telah habis.

Hal itu hanya berlaku jika pereaksi tersedia tepat dalam perbandingan stoikiometri yang diperlukan.

Jika salah satu pereaksi berlebih, sebagian pereaksi tersebut tetap tersisa setelah reaksi. Kekekalan massa mencakup produk dan setiap pereaksi yang tersisa.

Misalkan sebuah wadah tertutup berisi aluminium dan oksigen:

\[
\ce{4Al(s) + 3O2(g) -> 2Al2O3(s)}
\]

Jika oksigen lebih banyak daripada yang dibutuhkan, sistem akhir mengandung aluminium oksida ditambah oksigen yang tidak digunakan. Anda tidak dapat mengubah seluruh oksigen menjadi produk hanya karena oksigen tersebut berada di dalam wadah.

Di sinilah kekekalan massa berhubungan langsung dengan pereaksi pembatas.

09Aturan pengambilan keputusan yang berguna untuk perubahan massa terukur

Ketika suatu soal memberi tahu Anda bahwa massa eksperimen meningkat atau menurun, jangan langsung mencari rumus.

Pertama tanyakan:

Apa sebenarnya yang ditimbang sebelum dan sesudah reaksi?

Lalu tanyakan:

Apakah ada materi yang mungkin telah melintasi batas tersebut?

Baru setelah menjawab pertanyaan-pertanyaan itu Anda seharusnya menafsirkan perubahan massa yang terukur.

Untuk sistem terbuka:

\[
\text{perubahan massa terukur} = \text{massa masuk} – \text{massa keluar}
\]

Untuk sistem tertutup:

\[
\text{perubahan massa total terukur} \approx 0
\]

asalkan seluruh peralatan tertutup ditimbang dan yang berlangsung adalah reaksi kimia biasa.

10Pertanyaan dan solusi

Pertanyaan 1

Sampel karbonat bermassa \(8.00\ \text{g}\) dipanaskan dalam wadah terbuka. Setelah pemanasan, wadah dan padatan bersama-sama kehilangan massa \(2.10\ \text{g}\).

Dengan menganggap satu-satunya materi yang keluar dari sistem adalah karbon dioksida, berapa massa padatan yang tersisa, dan mengapa kehilangan massa tersebut tidak melanggar hukum kekekalan massa?

Solusi 1

Padatan yang tersisa memiliki massa \(5.90\ \text{g}\), dan hukum kekekalan massa tidak dilanggar karena \(2.10\ \text{g}\) yang hilang telah keluar dari sistem yang diukur sebagai karbon dioksida.

Neraca massanya adalah:

\[
m_{\text{akhir}} = m_{\text{awal}} – m_{\text{keluar}}
\]

Dengan mensubstitusikan:

\[
m_{\text{akhir}} = 8.00 – 2.10
= 5.90\ \text{g}
\]

Wadah reaksi terbuka, sehingga timbangan tidak memasukkan \(\ce{CO2}\) yang telah keluar dalam pengukuran akhir.

Jika \(2.10\ \text{g}\) karbon dioksida tersebut dikumpulkan dan ditimbang sebagai bagian dari sistem akhir:

\[
5.90 + 2.10 = 8.00\ \text{g}
\]

Jebakan yang umum adalah menganggap bahwa kekekalan massa mengharuskan padatan mempertahankan massa yang sama. Yang diwajibkan adalah seluruh materi harus diperhitungkan.

Pertanyaan 2

Hidrogen peroksida terurai menurut:

\[
\ce{2H2O2(aq) -> 2H2O(l) + O2(g)}
\]

Sebuah labu terbuka kehilangan \(0.320\ \text{g}\) selama reaksi. Anggap oksigen adalah satu-satunya zat yang keluar dari labu.

Hitung:

a. jumlah oksigen yang dilepaskan dalam mol

b. jumlah hidrogen peroksida yang terurai

Solusi 2

Reaksi tersebut melepaskan \(0.0100\ \text{mol}\) \(\ce{O2}\), yang berarti \(0.0200\ \text{mol}\) \(\ce{H2O2}\) terurai.

Untuk bagian a, kehilangan massa yang terukur adalah massa oksigen yang keluar.

Dengan menggunakan \(M(\ce{O2}) = 32.00\ \text{g mol}^{-1}\):

\[
n(\ce{O2}) = \frac{m}{M}
= \frac{0.320}{32.00}
= 0.0100\ \text{mol}
\]

Untuk bagian b, persamaan yang telah disetarakan memberikan:

\[
\ce{H2O2}:\ce{O2} = 2:1
\]

Oleh karena itu:

\[
n(\ce{H2O2}) = 2(0.0100)
= 0.0200\ \text{mol}
\]

Timbangan menunjukkan kehilangan massa karena oksigen keluar dari labu terbuka. Stoikiometri memungkinkan kita menghitung secara terbalik dari kehilangan massa terukur tersebut untuk menentukan berapa banyak pereaksi yang terurai.

Asumsi pentingnya adalah bahwa oksigen merupakan satu-satunya materi yang keluar. Jika air juga menguap, kehilangan massa tidak dapat dianggap hanya sebagai massa oksigen.

Pertanyaan 3

Magnesium bereaksi dengan oksigen menurut:

\[
\ce{2Mg(s) + O2(g) -> 2MgO(s)}
\]

Seorang siswa memanaskan \(4.86\ \text{g}\) magnesium di udara. Setelah reaksi, padatan memiliki massa \(7.70\ \text{g}\).

Dengan menganggap seluruh magnesium bereaksi, tentukan massa teoretis magnesium oksida dan putuskan apakah hasil terukur dapat dijelaskan hanya oleh reaksi magnesium dengan oksigen.

Solusi 3

Massa teoretis magnesium oksida adalah sekitar \(8.06\ \text{g}\), sehingga massa akhir \(7.70\ \text{g}\) tidak dapat menunjukkan konversi lengkap seluruh \(4.86\ \text{g}\) magnesium menjadi \(\ce{MgO}\) yang tetap berada dalam wadah.

Pertama, hitung jumlah magnesium:

\[
n(\ce{Mg}) = \frac{4.86}{24.31}
= 0.1999\ \text{mol}
\]

Persamaan yang telah disetarakan memberikan perbandingan mol \(1:1\) antara magnesium dan magnesium oksida:

\[
n(\ce{MgO}) = 0.1999\ \text{mol}
\]

Dengan menggunakan \(M(\ce{MgO}) = 40.31\ \text{g mol}^{-1}\):

\[
m(\ce{MgO}) = 0.1999 \times 40.31
= 8.06\ \text{g}
\]

Hasil yang terukur adalah:

\[
8.06 – 7.70 = 0.36\ \text{g}
\]

di bawah massa teoretis.

Jika seluruh magnesium awal benar-benar bereaksi membentuk magnesium oksida, dan seluruh produk tetap berada di dalam wadah, padatan akhir seharusnya memiliki massa sekitar \(8.06\ \text{g}\).

Oleh karena itu, setidaknya satu asumsi pasti salah. Kemungkinannya mencakup hilangnya produk padat dari wadah atau terbentuknya produk selain \(\ce{MgO}\) murni yang diasumsikan. Jika pernyataan bahwa seluruh magnesium bereaksi juga tidak pasti, reaksi yang tidak lengkap juga perlu diselidiki.

Jebakannya adalah hanya melihat bahwa massa meningkat lalu menyatakan hasil tersebut benar. Kekekalan massa memberikan arah umum perubahan, tetapi stoikiometri memprediksi besarnya perubahan itu.

Pertanyaan 4

Sebuah wadah tertutup mula-mula mengandung \(5.40\ \text{g}\) aluminium dan \(4.00\ \text{g}\) gas oksigen. Keduanya bereaksi menurut:

\[
\ce{4Al(s) + 3O2(g) -> 2Al2O3(s)}
\]

Tentukan:

a. pereaksi pembatas

b. massa aluminium oksida yang terbentuk

c. massa pereaksi berlebih yang tersisa

d. massa total akhir di dalam wadah tertutup

Solusi 4

Aluminium adalah pereaksi pembatas. Sekitar \(10.2\ \text{g}\) aluminium oksida tidak dapat terbentuk di sini karena wadah hanya mengandung total \(9.40\ \text{g}\) materi. Massa produk yang benar adalah sekitar \(10.2\ \text{g}\) hanya jika oksigen yang tersedia cukup, sehingga kita harus memeriksa stoikiometri dengan cermat sebelum menerima hasil tersebut.

Mulailah dengan jumlah masing-masing pereaksi.

Untuk aluminium, dengan menggunakan \(M(\ce{Al}) = 26.98\ \text{g mol}^{-1}\):

\[
n(\ce{Al}) = \frac{5.40}{26.98}
= 0.200\ \text{mol}
\]

Untuk oksigen:

\[
n(\ce{O2}) = \frac{4.00}{32.00}
= 0.125\ \text{mol}
\]

Reaksi memerlukan:

\[
\ce{Al}:\ce{O2} = 4:3
\]

Untuk bereaksi dengan \(0.200\ \text{mol}\) aluminium, jumlah oksigen yang diperlukan adalah:

\[
n(\ce{O2,diperlukan})
= 0.200 \times \frac{3}{4}
= 0.150\ \text{mol}
\]

Hanya tersedia \(0.125\ \text{mol}\). Oleh karena itu, oksigen, bukan aluminium, adalah pereaksi pembatas.

Inilah sebabnya memeriksa perbandingan stoikiometri penting sebelum menghitung massa produk.

Dengan menggunakan oksigen sebagai pereaksi pembatas:

\[
n(\ce{Al2O3})
= 0.125 \times \frac{2}{3}
= 0.0833\ \text{mol}
\]

Dengan menggunakan \(M(\ce{Al2O3}) \approx 101.96\ \text{g mol}^{-1}\):

\[
m(\ce{Al2O3})
= 0.0833 \times 101.96
\approx 8.50\ \text{g}
\]

Jadi, jawaban untuk bagian b adalah sekitar:

\[
\boxed{8.50\ \text{g }\ce{Al2O3}}
\]

Sekarang tentukan berapa banyak aluminium yang bereaksi:

\[
n(\ce{Al,bereaksi})
= 0.125 \times \frac{4}{3}
= 0.1667\ \text{mol}
\]

Massanya adalah:

\[
m(\ce{Al,bereaksi})
= 0.1667 \times 26.98
\approx 4.50\ \text{g}
\]

Oleh karena itu, aluminium yang tersisa adalah:

\[
m(\ce{Al,tersisa})
= 5.40 – 4.50
= 0.90\ \text{g}
\]

Untuk bagian d, wadah tertutup rapat. Tidak ada materi yang masuk atau keluar, sehingga massa total akhir harus sama dengan massa total awal:

\[
m_{\text{akhir,total}}
= 5.40 + 4.00
= 9.40\ \text{g}
\]

Kita dapat mengonfirmasi ini menggunakan produk dan pereaksi yang tersisa:

\[
8.50 + 0.90
= 9.40\ \text{g}
\]

Jadi, kesimpulan yang benar adalah:

• pereaksi pembatas: \(\ce{O2}\)
• aluminium oksida yang terbentuk: sekitar \(8.50\ \text{g}\)
• aluminium yang tersisa: sekitar \(0.90\ \text{g}\)
• massa total akhir: \(9.40\ \text{g}\)

Soal ini menunjukkan pemeriksaan keamanan yang berguna. Jika massa produk yang dihitung melebihi massa total yang tersedia dalam sistem tertutup, berhentilah. Entah materi masuk dari luar, atau ada kesalahan dalam stoikiometri.

11Ke mana konsep ini mengarah selanjutnya

Kekekalan massa memberikan makna fisik pada stoikiometri. Persamaan yang telah disetarakan menunjukkan bagaimana atom-atom disusun ulang, massa molar mengubah penyusunan ulang tersebut menjadi massa yang dapat diukur, dan batas sistem menjelaskan mengapa angka pada timbangan dalam eksperimen dapat naik, turun, atau tetap konstan.

Langkah berguna berikutnya adalah perhitungan pereaksi pembatas dan rendemen. Setelah Anda dapat memperhitungkan ke mana setiap gram seharusnya pergi, Anda dapat membandingkan prediksi teoretis dengan jumlah yang benar-benar diperoleh dan menentukan apakah perbedaannya berasal dari stoikiometri, reaksi yang tidak lengkap, kehilangan produk, atau proses eksperimen lainnya.