Massa Molar Unsur dan Senyawa: Panduan Kimia HSC

Kamu memiliki \(1.00\ \text{mol}\) atom magnesium dan \(1.00\ \text{mol}\) atom oksigen. Kedua sampel mengandung jumlah atom yang tepat sama. Apakah keduanya seharusnya memiliki massa yang sama?

Buat prediksi sebelum melanjutkan membaca.

Ternyata tidak. Satu mol atom magnesium memiliki massa sekitar \(24.31\ \text{g}\), sedangkan satu mol atom oksigen memiliki massa sekitar \(16.00\ \text{g}\). Mol memberi tahu kamu berapa banyak partikel yang kamu miliki. Massa molar memberi tahu kamu seberapa besar massa dari sejumlah partikel tersebut.

Perbedaan inilah inti dari konsep massa molar.

01Mol menghitung partikel, massa molar menghubungkannya dengan gram

Mol adalah satuan untuk menghitung. Sama seperti satu lusin berarti 12 benda, \(1\ \text{mol}\) berarti \(6.022 \times 10^{23}\) partikel.

Partikel tersebut dapat berupa atom, molekul, ion, atau satuan formula. Kamu perlu mengetahui jenis partikel apa yang sedang dihitung.

Sebagai contoh:

• \(1\ \text{mol}\) atom Mg mengandung \(6.022 \times 10^{23}\) atom Mg.
• \(1\ \text{mol}\) \(\ce{O2}\) mengandung \(6.022 \times 10^{23}\) molekul \(\ce{O2}\).
• \(1\ \text{mol}\) \(\ce{NaCl}\) mengandung \(6.022 \times 10^{23}\) satuan formula \(\ce{NaCl}\).

Mol itu sendiri tidak memberi tahu kamu massanya. Selusin bola boling dan selusin buah anggur memiliki jumlah benda yang sama, tetapi kamu pasti akan merasakan perbedaannya jika masing-masing kotak dijatuhkan ke kakimu.

Kimia menghadapi masalah yang sama. Kita memerlukan konversi antara jumlah dalam mol dan massa dalam gram.

Konversi tersebut adalah massa molar, \(M\).

Kamu dapat membayangkan massa molar seperti nilai tukar:

\[ \text{mol} \longleftrightarrow \text{gram} \]

Zat dengan massa molar \(58.44\ \text{g mol}^{-1}\) memiliki massa \(58.44\ \text{g}\) untuk setiap \(1\ \text{mol}\) zat tersebut.

Analogi ini memiliki batas. Mol dan gram bukan dua mata uang yang menggambarkan hal yang sama. Mol mengukur jumlah zat, sedangkan gram mengukur massa. Massa molar menghubungkan kedua besaran yang berbeda tersebut.

02Peran angka pada tabel periodik

Lihat magnesium pada tabel periodik dan kamu akan menemukan massa atom relatif yang nilainya mendekati \(24.31\).

Massa atom relatif, ditulis \(A_r\), menunjukkan massa rata-rata sebuah atom relatif terhadap \(1/12\) massa atom karbon-12.

Massa atom relatif tidak memiliki satuan. Besaran ini merupakan perbandingan.

Untuk magnesium:

\[ A_r(\ce{Mg}) = 24.31 \]

Massa molar atom magnesium memiliki nilai numerik yang sama, tetapi sekarang memiliki satuan:

\[ M(\ce{Mg}) = 24.31\ \text{g mol}^{-1} \]

Jadi:

\[ 1.00\ \text{mol atom Mg} = 24.31\ \text{g Mg} \]

Ini adalah pola yang berguna:

Untuk unsur yang tersusun atas atom-atom individual, massa atom relatifnya dari tabel periodik memiliki nilai numerik yang sama dengan massa molarnya dalam \(\text{g mol}^{-1}\).

Berhati-hatilah dengan frasa tersusun atas atom-atom individual. Beberapa zat unsur terdapat dalam bentuk molekul.

Oksigen adalah contoh jebakan yang paling umum.

Tabel periodik memberi tahu kita:

\[ A_r(\ce{O}) = 16.00 \]

Jadi satu mol atom oksigen memiliki massa:

\[ 16.00\ \text{g} \]

Namun, gas oksigen biasa adalah \(\ce{O2}\). Setiap molekul mengandung dua atom oksigen, sehingga:

\[ M(\ce{O2}) = 2(16.00) = 32.00\ \text{g mol}^{-1} \]

Karena itu, satu mol molekul oksigen memiliki massa \(32.00\ \text{g}\), bukan \(16.00\ \text{g}\).

03Senyawa: jumlahkan atom-atom dalam rumus

Misalkan kamu ingin menentukan massa molar air, \(\ce{H2O}\).

Apa sebenarnya yang ditunjukkan oleh rumus tersebut?

Setiap molekul air mengandung:

• 2 atom hidrogen
• 1 atom oksigen

Dengan menggunakan \(A_r(\ce{H}) = 1.008\) dan \(A_r(\ce{O}) = 16.00\):

\[ M(\ce{H2O}) = 2(1.008) + 1(16.00) \]

\[ M(\ce{H2O}) = 18.016\ \text{g mol}^{-1} \]

Jadi satu mol molekul air memiliki massa sekitar \(18.02\ \text{g}\).

Gagasan umumnya adalah:

\[ M = \sum n_i A_{r,i} \]

dengan:

• \(M\) adalah massa molar dalam \(\text{g mol}^{-1}\)
• \(n_i\) adalah jumlah atom suatu unsur tertentu dalam rumus kimia
• \(A_{r,i}\) adalah massa atom relatif unsur tersebut

Secara sederhana: hitung setiap jenis atom, kalikan dengan massa atom relatifnya, lalu jumlahkan semuanya.

04Baca rumus sebelum menggunakan kalkulator

Sebagian besar kesalahan massa molar bukanlah kesalahan aritmetika. Kesalahan tersebut terjadi karena rumus dibaca secara keliru.

Perhatikan kalsium nitrat:

\[ \ce{Ca(NO3)2} \]

Sebelum menghitung apa pun, hitung jumlah atomnya.

Terdapat:

• 1 atom Ca
• 2 atom N
• 6 atom O

Mengapa ada enam atom oksigen?

Subskrip 2 di luar tanda kurung mengalikan semua yang ada di dalam tanda kurung:

\[ 2 \times \ce{NO3} = \ce{N2O6} \]

Siswa yang menghitung \(1\) Ca, \(2\) N, dan hanya \(3\) O telah mengabaikan faktor pengali di luar tanda kurung.

05Massa molar juga memungkinkan kamu berpindah antara mol dan massa

Setelah massa molar diketahui, hubungan antara massa dan jumlah zat adalah:

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

dengan:

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

Dengan mengatur ulang:

\[ m = nM \]

Persamaan ini masuk akal secara fisik. Jika satu mol memiliki massa tertentu, maka dua mol seharusnya memiliki dua kali massa tersebut, setengah mol seharusnya memiliki setengah massa tersebut, dan seterusnya.

Sebelum mengerjakan contoh berikutnya, buat prediksi: jika digunakan \(0.250\ \text{mol}\) suatu zat, apakah massanya seharusnya lebih besar atau lebih kecil daripada nilai massa molarnya jika dinyatakan dalam gram?

Lebih kecil. \(0.250\ \text{mol}\) hanya seperempat mol, sehingga massanya seharusnya seperempat dari massa satu mol. Prediksi tersebut memberi kamu cara yang berguna untuk memeriksa hasil perhitungan.

06Mengapa massa atom relatif biasanya berupa bilangan desimal

Mungkin terasa aneh bahwa klorin memiliki massa atom relatif sekitar \(35.45\). Sebuah atom klorin tunggal tidak memiliki \(35.45\) proton dan neutron.

Bilangan desimal tersebut muncul karena sampel alami suatu unsur dapat mengandung berbagai isotop.

Klorin terutama terdapat sebagai klorin-35 dan klorin-37. Isotop-isotop ini memiliki jumlah proton yang sama, tetapi jumlah neutron yang berbeda. Nilai pada tabel periodik merupakan rata-rata tertimbang berdasarkan kelimpahan alaminya.

Jadi:

\[ A_r(\ce{Cl}) \approx 35.45 \]

bukan berarti suatu atom klorin memiliki nomor massa \(35.45\). Nomor massa berlaku untuk satu isotop tertentu dan berupa bilangan bulat. Massa atom relatif adalah nilai rata-rata untuk unsur tersebut.

Nilai rata-rata itulah yang biasanya digunakan saat menghitung massa molar dari tabel periodik.

07Tiga jebakan yang perlu diperiksa setiap kali

Jebakan 1: Menganggap satu mol selalu memiliki massa yang sama

Satu mol selalu mengandung jumlah partikel tertentu yang sama, bukan massa yang sama.

Sebagai contoh:

\[ 1\ \text{mol atom C} \approx 12.01\ \text{g} \]

sedangkan:

\[ 1\ \text{mol atom Pb} \approx 207.2\ \text{g} \]

Jumlah atom sama. Massanya sangat berbeda.

Jebakan 2: Lupa jenis partikel yang diwakili oleh rumus

Untuk oksigen:

\[ M(\ce{O}) = 16.00\ \text{g mol}^{-1} \]

tetapi:

\[ M(\ce{O2}) = 32.00\ \text{g mol}^{-1} \]

Tabel periodik memberikan informasi tentang atom. Kamu tetap harus membaca rumus kimianya.

Jebakan 3: Menganggap subskrip di luar tanda kurung hanya memengaruhi satu atom

Untuk \(\ce{Al2(SO4)3}\), jumlah atomnya adalah:

• 2 Al
• 3 S
• 12 O

Angka 3 di luar tanda kurung mengalikan seluruh gugus \(\ce{SO4}\).

Jika jumlah atom yang kamu hitung salah, perhitungan kalkulator yang sempurna pun tetap akan menghasilkan massa molar yang salah.

08Metode yang andal saat menghadapi tekanan ujian

Untuk setiap perhitungan massa molar:

1. Tulis atau periksa rumus kimianya.
2. Hitung setiap atom sebelum memasukkan angka.
3. Cari setiap nilai \(A_r\) dari tabel periodik atau sumber data yang diberikan.
4. Kalikan setiap \(A_r\) dengan jumlah atom unsur tersebut.
5. Jumlahkan semua kontribusi.
6. Nyatakan massa molar dalam \(\text{g mol}^{-1}\).
7. Jika soal meminta massa sampel sebenarnya, gunakan \(m = nM\).

Satuan merupakan cara yang berguna untuk memeriksa jawaban. Massa molar seharusnya memiliki satuan \(\text{g mol}^{-1}\). Massa sampel seharusnya dalam gram. Jika besaran akhir yang seharusnya berupa massa justru kamu tulis dalam \(\text{g mol}^{-1}\), kemungkinan besar kamu berhenti satu langkah terlalu awal.

09Pertanyaan dan penyelesaian

Pertanyaan 1

Neon memiliki massa atom relatif \(20.18\). Berapakah massa \(1.00\ \text{mol}\) atom neon?

Penyelesaian 1

Massanya adalah \(\boxed{20.18\ \text{g}}\).

Untuk unsur yang terdapat sebagai atom-atom individual, massa molarnya memiliki nilai numerik yang sama dengan massa atom relatifnya:

\[ M(\ce{Ne}) = 20.18\ \text{g mol}^{-1} \]

Dengan menggunakan \(m = nM\):

\[ \begin{aligned} m &= nM\\ &= (1.00\ \text{mol})(20.18\ \text{g mol}^{-1})\\ &= 20.18\ \text{g} \end{aligned} \]

Jadi satu mol atom neon memiliki massa \(20.18\ \text{g}\). Gagasan pentingnya adalah bahwa nilai pada tabel periodik menjadi massa per mol ketika digunakan sebagai massa molar.

Pertanyaan 2

Hitung massa molar amonium nitrat, \(\ce{NH4NO3}\). Gunakan \(A_r(\ce{N}) = 14.01\), \(A_r(\ce{H}) = 1.008\), dan \(A_r(\ce{O}) = 16.00\).

Penyelesaian 2

Massa molarnya adalah \(\boxed{80.05\ \text{g mol}^{-1}}\).

Rumus \(\ce{NH4NO3}\) mengandung total dua atom nitrogen, empat atom hidrogen, dan tiga atom oksigen. Kesalahan yang umum adalah hanya memperhatikan N yang pertama.

\[ \begin{aligned} M(\ce{NH4NO3}) &= 2(14.01) + 4(1.008) + 3(16.00)\\ &= 28.02 + 4.032 + 48.00\\ &= 80.052\ \text{g mol}^{-1} \end{aligned} \]

Oleh karena itu:

\[ \boxed{M(\ce{NH4NO3}) = 80.05\ \text{g mol}^{-1}} \]

Ini berarti \(1\ \text{mol}\) satuan formula amonium nitrat memiliki massa sekitar \(80.05\ \text{g}\).

Pertanyaan 3

Sebuah sampel mengandung \(0.0750\ \text{mol}\) besi(III) sulfat, \(\ce{Fe2(SO4)3}\). Hitung massanya menggunakan \(A_r(\ce{Fe}) = 55.85\), \(A_r(\ce{S}) = 32.06\), dan \(A_r(\ce{O}) = 16.00\).

Penyelesaian 3

Sampel tersebut memiliki massa \(\boxed{30.0\ \text{g}}\) hingga tiga angka penting.

Pertama, hitung jumlah atom dengan benar. \(\ce{Fe2(SO4)3}\) mengandung 2 atom Fe, 3 atom S, dan 12 atom O.

Massa molarnya adalah:

\[ \begin{aligned} M(\ce{Fe2(SO4)3}) &= 2(55.85) + 3(32.06) + 12(16.00)\\ &= 111.70 + 96.18 + 192.00\\ &= 399.88\ \text{g mol}^{-1} \end{aligned} \]

Sekarang gunakan \(m = nM\):

\[ \begin{aligned} m &= (0.0750\ \text{mol})(399.88\ \text{g mol}^{-1})\\ &= 29.991\ \text{g} \end{aligned} \]

Oleh karena itu:

\[ \boxed{m = 30.0\ \text{g}} \]

Jebakan utamanya adalah tanda kurung. Tiga gugus sulfat mengandung \(3 \times 4 = 12\) atom oksigen, bukan empat.

Pertanyaan 4

Suatu oksida memiliki rumus \(\ce{XO2}\) dan massa molar \(79.87\ \text{g mol}^{-1}\). Oksigen memiliki \(A_r = 16.00\). Tentukan massa atom relatif \(X\), lalu identifikasi unsurnya dari nilai \(A_r(\ce{Ti}) = 47.87\), \(A_r(\ce{V}) = 50.94\), dan \(A_r(\ce{Cr}) = 52.00\).

Penyelesaian 4

Massa atom relatif \(X\) adalah \(\boxed{47.87}\), sehingga \(X\) adalah \(\boxed{\ce{Ti}}\).

Massa molar mencakup kontribusi dari satu atom \(X\) dan dua atom oksigen:

\[ M(\ce{XO2}) = A_r(X) + 2A_r(\ce{O}) \]

Masukkan nilai yang diketahui:

\[ 79.87 = A_r(X) + 2(16.00) \]

Jadi:

\[ \begin{aligned} A_r(X) &= 79.87 - 32.00\\ &= 47.87 \end{aligned} \]

Unsur pada daftar yang memiliki \(A_r = 47.87\) adalah titanium.

Kesalahan yang menggoda adalah membagi \(79.87\) dengan tiga karena terdapat tiga atom dalam rumus. Hal itu berarti mengasumsikan bahwa ketiga atom memberikan kontribusi massa yang sama, padahal tidak. Kontribusi oksigen harus dikurangkan berdasarkan massa atom relatifnya yang sebenarnya.

Pertanyaan 5

Seorang siswa berkata, “Tabel periodik menunjukkan oksigen sebagai 16.00, jadi satu mol gas oksigen pasti memiliki massa \(16.00\ \text{g}\).” Jelaskan apakah pernyataan tersebut benar.

Penyelesaian 5

Pernyataan tersebut tidak benar untuk gas oksigen biasa. Satu mol \(\ce{O2}\) memiliki massa \(\boxed{32.00\ \text{g}}\).

Nilai \(16.00\) adalah massa atom relatif satu atom oksigen. Karena itu, secara numerik nilai tersebut sesuai dengan massa molar:

\[ M(\ce{O}) = 16.00\ \text{g mol}^{-1} \]

Gas oksigen biasa terdiri atas molekul diatomik \(\ce{O2}\). Setiap molekul mengandung dua atom oksigen:

\[ \begin{aligned} M(\ce{O2}) &= 2(16.00)\\ &= 32.00\ \text{g mol}^{-1} \end{aligned} \]

Oleh karena itu:

\[ 1.00\ \text{mol }\ce{O2} = 32.00\ \text{g} \]

Penalaran siswa tersebut tampak masuk akal karena angka pada tabel periodik memang digunakan untuk memperoleh massa molar. Langkah yang hilang adalah mengidentifikasi partikel sebenarnya yang sedang dihitung. \(1\ \text{mol}\) atom O dan \(1\ \text{mol}\) molekul \(\ce{O2}\) merupakan sampel yang berbeda.

Pertanyaan 6

Dua zat sama-sama memiliki rumus empiris \(\ce{CH2O}\). Seorang siswa menyatakan bahwa keduanya pasti memiliki massa molar yang sama. Apakah kesimpulan tersebut dapat dibenarkan? Salah satu zat memiliki massa molar terukur \(180.16\ \text{g mol}^{-1}\). Tentukan rumus molekulnya menggunakan \(A_r(\ce{C}) = 12.01\), \(A_r(\ce{H}) = 1.008\), dan \(A_r(\ce{O}) = 16.00\).

Penyelesaian 6

Kesimpulan tersebut tidak dapat dibenarkan. Rumus empiris hanya menunjukkan perbandingan bilangan bulat paling sederhana dari atom-atom, sehingga rumus molekul yang berbeda dapat memiliki rumus empiris yang sama.

Pertama, hitung massa yang bersesuaian dengan satu satuan rumus empiris, \(\ce{CH2O}\):

\[ \begin{aligned} M_{\text{empiris}} &= 1(12.01) + 2(1.008) + 1(16.00)\\ &= 30.026\ \text{g mol}^{-1} \end{aligned} \]

Sekarang bandingkan massa molar terukur dengan massa rumus empiris:

\[ \frac{180.16}{30.026} \approx 6.00 \]

Jadi rumus molekul mengandung enam satuan rumus empiris:

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

Oleh karena itu, rumus molekulnya adalah:

\[ \boxed{\ce{C6H12O6}} \]

Asumsi tersembunyi dalam pernyataan siswa tersebut adalah bahwa rumus empiris otomatis merupakan rumus molekul. Itu tidak benar. Massa molar memberikan informasi tambahan yang diperlukan untuk menentukan berapa banyak satuan rumus empiris yang terdapat dalam setiap molekul.

10Ke mana konsep massa molar membawa kamu selanjutnya

Massa molar adalah jembatan antara bahasa mikroskopis berupa rumus kimia dan massa terukur yang dapat kamu timbang dengan neraca.

Setelah kamu dapat berpindah dengan yakin antara gram dan mol, kamu dapat mulai membandingkan zat berdasarkan persamaan kimianya. Itulah dasar stoikiometri: mengubah massa terukur menjadi mol, menggunakan perbandingan mol dari persamaan yang telah disetarakan, lalu mengubah hasilnya menjadi massa, volume, atau konsentrasi yang sebenarnya kamu perlukan.