Salah satu aspek penting dari reaksi kimia adalah hubungan kuantitatif antara zat-zat yang terlibat dalam reaksi kimia, baik sebagai pereaksi maupun sebagai hasil reaksi. Stoikiometri (stoi-kee-ah-met-tree) merupakan bidang dalam ilmu kimia yang menyangkut hubungan kuantitatif antara zat-zat yang terlibat dalam reaksi kimia, baik sebagai pereaksi maupun sebagai hasil reaksi. Stoikiometri juga menyangkut perbandingan atom antar unsur-unsur dalam suatu rumus kimia, misalnya perbandingan atom H dan atom O dalam molekul H2O. Kata stoikiometri berasal dari bahasa Yunani yaitu stoicheon yang artinya unsur dan metron yang berarti mengukur. Seorang ahli Kimia Perancis, Jeremias Benjamin Richter (1762-1807) adalah orang yang pertama kali meletakkan prinsip-prinsip dasar stoikiometri. Menurutnya stoikiometri adalah ilmu tentang pengukuran perbandingan kuantitatif atau pengukuran perbandingan antar unsur kimia yang satu dengan yang lain.
Mengapa kita harus mempelajari stoikiometri? Salah satu alasannya, karena mempelajari ilmu kimia tidak dapat dipisahkan dari melakukan percobaan di laboratorium. Adakalanya di laboratorium kita harus mereaksikan sejumlah gram zat A untuk menghasilkan sejumlah gram zat B. Pertanyaan yang sering muncul adalah jika kita memiliki sejumlah gram zat A, berapa gramkah zat B yang akan dihasilkan? Untuk menjawab pertanyaan itu kita memerlukan stoikiometri.
Stoikiometri erat kaitannya dengan perhitungan kimia. Untuk menyelesaikan soal-soal perhitungan kimia digunakan asas-asas stoikiometri yaitu antara lain persamaan kimia dan konsep mol. Pada pembelajaran ini kita akan mempelajari terlebih dahulu mengenai asas-asas stoikiometri, kemudian setelah itu kita akan mempelajari aplikasi stoikiometri pada perhitungan kimia beserta contoh soal dan cara menyelesaikannya.
Tetapan Avogadro
Kesetaraan Stoikiometri
Jika kita ingin membuat suatu zat kita harus mengetahui rumus kimia zat tersebut. Rumus kimia menunjukkan perbandingan atom unsur-unsur yang menyusun suatu zat. Dengan mengetahui rumus kimia zat tersebut, kita dapat mereaksikan pereaksi-pereaksi sedemikian sehingga zat yang terbentuk memiliki perbandingan atom unsur-unsur penyusunnya yang sesuai dengan rumus kimianya.
Perbandingan atom unsur-unsur dalam suatu rumus kimia ditunjukkan dengan angka yang bulat, dan bukan dengan angka pecahan. 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 tanpa ada sisa atom C atau atom O kita harus mengambil 1 atom C dan 1 atom O sesuai dengan perbandingan atom-atom dalam rumus kimia senyawanya.
1 atom C + 1 atom O → 1 molekul CO
Untuk membuat 1 lusin molekul CO, kita harus mengambil 1 lusin atom C dan 1 lusin atom O sesuai dengan perbandingan atom 1: 1.
1 lusin atom C + 1 lusin atom O → 1 lusin molekul CO
Untuk membuat 1 gross (144) molekul CO, persamaannya akan menjadi:
1 gross atom C + 1 gross atom O → 1 gross molekul CO
Jadi apapun satuan jumlah atom yang digunakan, yang terpenting adalah perbandingan atom C dan atom O sama, yaitu 1 : 1.
Berdasarkan analisa, kelihatannya mudah untuk melakukan reaksi kimia yang dapat meminimalisasi adanya atom yang tersisa. Caranya adalah dengan menghitung jumlah jenis atom yang akan direaksikan secara cermat, dan diukur dalam perbandingan yang diinginkan, seperti contoh di atas. Masalahnya, atom atau molekul terlalu kecil untuk dihitung secara langsung. Oleh karena itu kita harus mengambil satuan jumlah yang lebih besar dari lusin maupun gross. Satuan Internasional (SI) mendefinisikan satuan dasar untuk jumlah zat kimia yang disebut mol.
Tetapan Avogadro
Satu mol unsur atau senyawa memiliki jumlah partikel yang dinyatakan oleh rumus kimianya, yang sama dengan jumlah atom yang terdapat dalam 12 gram C-12. Jumlah atom pada 12 gram karbon-12 disebut tetapan Avogadro, dinyatakan dengan lambang L, harga tetapan Avogadro diketahui sebanyak 6,022×1023. Sesuai dengan definisi 1 mol di atas, maka 1 mol zat mengandung 6,022×1023 partikel zat tersebut. Satu mol H2O memiliki molekul H2O sebanyak tetapan Avogadro. Satu mol karbon memiliki atom karbon sebanyak tetapan Avogadro. Dengan demikian dapat digeneralisasi bahwa jumlah mol suatu zat berarti mengandung jumlah mol yang sama dari satuan rumus zat tersebut. Generalisasi tersebut merupakan inti dari stoikiometri.
Ke atas
Kesetaraan Stoikiometri Unsur- Unsur dalam Satuan Rumus
Kesetaraan stoikiometri antara unsur-unsur dalam satuan rumus misalnya molekul, adalah perbandingan atom atau perbandingan mol dalam satuan rumus tersebut. Konsep mol dapat digunakan untuk menggambarkan perbandingan atom dalam senyawa, misalnya molekul air, H2O. Subskrip dalam rumus kimia molekul H2O memberikan informasi bahwa perbandingan atom H dengan atom O dalam air adalah 2 atom H setara dengan 1 atom O atau jika dinyatakan dalam satuan lusin dan mol berturut-turut adalah 2 lusin atom H setara dengan 1 lusin atom O dan 2 mol atom H setara dengan 1 mol atom O.
Kita dapat melihat bahwa dalam semua satuan perbandingan tersebut, perbandingan stoikiometrinya selalu 2 : 1. Kesetaraan stoikiometri antara atom H dan atom O dalam senyawa H2O adalah 2 mol atom H setara dengan 1 mol atom O. Kesetaraan dilambangkan dengan tanda ~. Kesetaraan secara stoikiometri antar unsur-unsur dalam senyawa H2O dapat digambarkan sebagai berikut :
1 mol molekul H2O ~ 2 mol atom H
1 mol molekul H2O ~ 1 mol atom O
1 mol atom O ~ 2 mol atom H
Kesetaraan tersebut dapat digunakan sebagai faktor konversi sehingga dapat digunakan untuk menyelesaikan soal-soal dalam perhiotungan stoikiometri.
Massa Molar Massa Atom Relatif Massa Molekul Relatif
Massa Molar
Berdasarkan definisi SI tentang mol, Tetapan Avogadro dari atom-atom karbon-12 akan diperoleh jika kita menimbang secara tepat 12 g isotop C-12. Karena karbon terdapat di alam dalam campuran dua isotop C-12 dan C-13 maka masanya merupakan massa rata-rata kedua isotop tersebut, yaitu sebesar 12,011 sma, sehingga sejumlah tetapan Avogadro atom C akan diperoleh jika kita mengambil 12,011 g karbon-12. Jadi, 1 mol karbon memiliki massa 12,011 g. Hal ini berlaku juga untuk unsur lainnya yaitu:
Satu mol unsur mempunyai massa yang besarnya sama dengan massa atom unsur tersebut dalam gram. Massa 1 mol zat disebut dengan massa molar.
Untuk zat yang tersusun dari kumpulan atom (molekul) atau merupakan pasangan ion-ion maka massa 1 mol zat tersebut sama dengan massa molekul relatif atau massa rumus relatif zat tersebut dalam gram. Massa molekul relatif dan massa rumus relatif suatu senyawa dapat diketahui dari penjumlahan massa atom relatif unsur-unsur penyusun senyawanya. Menurutmu, berapakah massa molar dari H2O dan NaCl?
ke atas
Massa Atom Relatif
Massa atom unsur sebenarnya belum dapat diukur dengan alat penimbang massa atom, karena atom berukuran sangat kecil. Massa atom unsur ditentukan dengan cara membandingkan massa atom rata-rata unsur tersebut terhadap 1/12 massa rata-rata satu atom karbon 12 sehingga massa atom yang diperoleh adalah massa atom relatif (Ar).
Massa atom relatif unsur-unsur dapat dilihat dalam tabel massa atom relatif unsur.
ke atas
Massa Molekul Relatif
Unsur dan senyawa yang partikelnya berupa molekul, massanya dinyatakan dalam massa molekul relatif (Mr). Pada dasarnya massa molekul relatif (Mr) adalah perbandingan massa rata-rata satu molekul unsur atau senyawa dengan 1/12 massa rata-rata satu atom karbon-12.
Jenis molekul sangat banyak, sehingga tidak ada tabel massa molekul relatif. Akan tetapi, massa molekul relatif dapat dihitung dengan menjumlahkan massa atom relatif atom-atom pembentuk molekulnya.
Mr = ∑Ar
Untuk senyawa yang partikelnya bukan berbentuk molekul, melainkan pasangan ion-ion, misalnya NaCl maka Mr senyawa tersebut disebut massa rumus relatif. Massa rumus relatif dihitung dengan cara yang sama dengan seperti perhitungan massa molekul relatif, yaitu dengan menjumlahkan massa atom relatif unsur-unsur dalam rumus senyawa itu.
Dalam ilmu kimia, mol adalah satuan pengukuran jumlah yang standar. Ketika kita mereaksikan zat-zat tertentu, zat-zat tersebut bereaksi dengan perbandingan mol yang bulat dan sederhana, tetapi kita tidak bisa mengukur jumlah zat-zat tersebut secara langsung dengan neraca karena neraca hanya bisa dibaca dalam satuan massa, neraca tidak dapat dibaca dalam satuan kimia yaitu mol.
Masalahnya adalah kita membandingkan jumlah satu zat dengan zat lainnya dengan menggunakan satuan kimia yaitu mol, sementara untuk bekerja di laboratorium kita tidak bisa menggunakan mol melainkan dengan satuan massa yaitu gram. Bagaimana cara mengatasi masalah tersebut? Caranya adalah kita harus mengubah mol ke gram.
Sesuai definisi massa molar unsur atau senyawa, dimana 1 mol unsur atau senyawa akan diperoleh jika kita menimbang unsur atau senyawa tersebut sebesar massa atom relatif atau massa rumus relatifnya dalam gram. Oleh karena itu, kita memerlukan data massa molar zat tersebut untuk bisa mengubah mol zat tersebut ke gram. Begitupun sebaliknya jika kita harus menghitung jumlah mol dari gram suatu zat kita juga dapat menggunakan data massa molar.
Berapakah massa dari 0,5 mol Oksigen (O2)?
Pertanyaan tersebut dapat dinyatakan kembali sebagai berikut:
? g O2 ~ 0,5 mol O2
Massa atom relatif O = 16
Sesuai dengan definisi SI maka 1 mol O2 = (2×16) g O2
Jadi 0.5 mol O2 = 16 g O2
Berapa mol silikon dalam 4,6 g Si?
Pertanyaan tersebut dapat dinyatakan kembali sebagai berikut:
4,6 g Si ~ ? mol Si
Massa atom relatif Si= 28,09 sesuai dengan definisi SI maka 1 mol Si ~ 28,09 g Si
1 mol Si = 28,09 g Si
Sehingga bila kita mengalikan gram Si yang diberikan (4,6 g Si) dengan faktor konversi yang pertama akan didapatkan:
Jadi 4,6 g Si = 0.164 mol Si
Hukum perbandingan tetap merupakan hukum yang mengendalikan penulisan rumus kimia baik berupa rumus empiris maupun rumus molekul. Rumus empiris senyawa dapat ditentukan berdasarkan persentase massa unsur-unsur yang membentuk senyawa itu. Oleh karena kita mengetahui massa molar masing-masing unsur, maka dari perbandingan massa unsur dalam senyawa kita dapat menarik kesimpulan tentang perbandingan mol unsur-unsur dalam senyawa. Perbandingan mol mencerminkan pula perbandingan jumlah atom, sehingga kita dapat menghitung perbandingan jumlah atom unsur-unsur dalam senyawa berdasarkan perbandingan massa unsur-unsur dalam senyawa.
Rumus molekul menggambarkan jumlah atom sebenarnya dari tiap unsur dalam molekul suatu senyawa. Rumus molekul merupakan kelipatan bulat (kelipatan satu, dua, tiga, empat, dan seterusnya) dari rumus empiris. Oleh karena itu, rumus molekul suatu senyawa dapat dituliskan sebagai (RE)x, dengan RE sebagai rumus empiris dan x sebagai bilangan bulat. Rumus molekul senyawa baru dapat ditentukan apabila nilai x diketahui. Penentuan nilai x memerlukan data massa molekul relatif senyawa yang diperoleh dari percobaan.
Dari hasil analisis kimia yang dilakukan ditemukan bahwa cuplikan (contoh) senyawa yang bernama Hidrazin terdiri atas 87,42 % massa N dan 12,58 % massa H. Bagaimanakah rumus empiris dan rumus molekulnya?
Persen massa tersebut merupakan massa N dan H jika kita mengambil 100 g cuplikan hidrazin, sehingga dalam cuplikan itu terdapat 87,42 g nitrogen dan 12,58 g hidrogen. Tetapi subskrip dalam molekul hidrazin menunjukkan perbandingan mol sehingga kita harus mengubah massa ke mol.
Massa atom N adalah 14, dan 1 untuk H. Massa atom masing–masing unsur ini dapat digunakan untuk membuat faktor konversi. Perhitungan molnya adalah sebagai berikut:
Hasil perhitungan ini menunjukkan bahwa perbandingan jumlah mol atom N dan jumlah atom H dalam hidrazin 6,24:12,58. perandingan bilangan bulatnya adalah 1:2. dengan demikian rumus empiris hidrazin adalah NH2
Apakah rumus molekul hidrazin?
Rumus molekul menggambarkan jumlah atom tiap unsur dalam molekul senyawa. Rumus molekul merupakan kelipatan bulat (kelipatan satu, dua, tiga, empat, dan seterusnya) dari rumus empiris. Oleh karena itu, rumus molekul hidrazin dapat dituliskan sebagai (NH2)x, dengan x sebagai bilangan bulat. Rumus molekul hidrazin baru dapat ditentukan apabila nilai x diketahui. Penentuan nilai x memerlukan data massa molekul relatif senyawa yang diperoleh dari percobaan. Hasil percobaan menunjukkan bahwa Mr(Hidrazin) = 32. Oleh karena itu, massa molekul relatif hidrazin dapat pula diungkapkan sebagai berikut:
Mr(Hidrazin) = x [Ar(N) + 2Ar(H)]
32 = 16x
x = 2
Dengan demikian, rumus molekul hidrazin merupakan kelipatan dua dari rumus empiris hidrazin (NH2). Kesimpulannya adalah rumus molekul hidrazin adalah N2H4.
Mol zat-zat dalam suatu persamaan kimia dapat dihitung berdasarkan kesetaraan stoikiometrinya. Dengan demikian, kita dapat memperkirakan berapa mol produk yang akan dihasilkan dari sejumlah tertentu mol pereaksi yang digunakan.
Bila kita memiliki 2 mol Nitrogen (N2) direaksikan dengan Hidrogen (H2) secukupnya, berapa mol Amonia (NH3) akan dihasilkan?
Diketahui persamaan kimia N2 + 3 H2 → 2 NH3
Pertanyaan tersebut dapat dinyatakan kembali sebagai berikut:
2 mol N2 ~ ? mol NH3
kesetaraan mol secara stoikiometri: 1 mol N2 ~ 2 mol NH3
1 mol molekul N2 = 2 mol molekul NH3
Maka 2 mol N2 = 4 mol molekul NH3
jadi 2 mol N2 = 4 mol NH3
Perhitungan massa zat yang terlibat dalam reaksi kimia merupakan salah satu pertanyaan yang dihadapi oleh para ahli kimia di laboratorium. Jika kita memiliki sejumlah gram tertentu pereaksi A, berapakah gram pereaksi B yang harus direaksikan dan berapa gram produk yang akan dihasilkan?
Jawaban pertanyaan tersebut dapat digambarkan dalam diagram alur penyelesaian soal sebagai berikut:
Berapa gram Klor (Cl2) dapat dibuat dari penguraian 64 gram Emas(III) Klorida (AuCl3), dengan persamaan kimia: 2 AuCl3 → 2 Au + 3 Cl2
Dari soal diketahui bahwa satuan jumlah zat yang digunakan adalah gram, sedangkan pada prinsip perhitungan kimia yang paling dasar digunakan satuan mol. Oleh karena itu pertama-tama kita harus mengkonversi dari gram ke mol, selanjutnya jumlah mol tersebut digunakan untuk mencari ekivalensi jumlah mol zat-zat dalam reaksi. Untuk mendapatkan hasil akhirnya, kita harus mengkonversi jumlah mol klorin dalam satuan gram.
1 mol AuCl3 ~ 203,5 gram AuCl3
kesetaraan tersebut menjadi faktor konversi 1 mol AuCl3/203,5 gram atau 203,5 gram/1 mol AuCl3
Untuk mendapatkan jumlah mol AuCl3 yang terurai, kita dapat mengalikan dalam satu faktor konversi di atas dengan jumlah gram AuCl3 yang diketahui.
Faktor konversi yang digunakan adalah massa rumus molekul AuCl3 yaitu 203,5 sehingga 64 gram AuCl3 dapat diterjemahkan dalam satuan mol sebagai berikut:
Koefisien dalam persamaan reaksi menunjukkan ekivalensi stoikiometri antara AuCl3 dan Cl2, yaitu 2 mol AuCl3 ~ 3 mol Cl2 maka 0,314 mol AuCl3 setara dengan 3/2 x 0,314 mol = 0,472 mol Cl2. Untuk mengetahui berapa jumlah gram Cl2 yang dihasilkan, maka kita harus mengkonversi jumlah mol Cl2 ke dalam satuan gram. Jika diketahui rumus massa molekul Cl2 adalah 70, maka perhitungannya adalah sebagai berikut:
Jadi klorin yang dapat terbentuk dari penguraian 64 gram AuCl3 adalah sebanyak 33,02 gram.
Jika kita mereaksikan zat-zat dengan jumlah sembarang dalam suatu reaksi kimia, sangat mungkin satu pereaksi habis terlebih dahulu sedangkan pereaksi yang lain tersisa. Pereaksi yang habis terlebih dahulu dinamakan pereaksi pembatas. Kita dapat memperkirakan jumlah maksimal produk yang akan dihasilkan berdasarkan perbandingan stoikiometri zat-zat dalam reaksi dan pereaksi pembatasnya.
PEMBELAJARAN KIMIA 