STOIKIOMETRI

STOIKIOMETRI

1.      Massa Atom Relatif, Massa Molekul Relatif, dan Mol

Dalam tulisan ini, kita akan mempelajari cara menyatakan massa sebuah atom dan molekul, serta mempelajari hubungan antara massa zat dengan jumlah partikel yang dimilikinya melalui pendekatan konsep mol.

Massa sebuah atom bergantung pada jumlah elektron, proton, dan neutron yang dimilikinya. Atom adalah partikel yang sangat kecil, sehingga kita tidak dapat menimbang massa sebuah atom tunggal. Akan tetapi, kita dapat menentukan massa suatu atom dengan membandingkannya terhadap atom lain. Dengan demikian, dibutuhkan suatu unsur yang dapat dijadikan sebagai standar pembanding.

Massa atom didefinisikan sebagai massa suatu atom dalam satuan atomic mass unit (amu) atau satuan massa atom (sma). Satu amu didefinisikan sebagai 1/12 kali massa satu atom C-12. Karbon-12 adalah salah satu isotop karbon yang memiliki 6 proton dan 6 neutron. Unsur ini dijadikan sebagai standar pembanding sebab unsur ini memiliki sifat yang sangat stabil dengan waktu paruh yang panjang. Dengan menetapkan massa atom C-12 sebesar 12 sma, kita dapat menentukan massa atom unsur lainnya. Sebagai contoh:

Diketahui bahwa satu atom hidrogen hanya memiliki massa 8,4% dari massa satu atom C-12. Dengan demikian,  massa satu atom hidrogen adalah sebesar 8,4% x 12 sma atau 1,008 sma. Dengan perhitungan serupa, dapat diperoleh massa satu atom oksigen adalah 16,00 sma dan massa satu atom besi adalah 55,85 sma.  Hal ini berarti bahwa satu atom besi memiliki massa hampir 56 kali massa satu atom hidrogen.

Massa atom relatif (Ar) suatu unsur X dapat diperoleh melalui persamaan berikut:

Ar X = massa satu atom unsur X / (1/12) x massa satu atom C-12

Selain menghitung massa atom relatif (Ar) suatu unsur, kita dapat juga menentukan massa molekul relatif (Mr) suatu senyawa.  Massa molekul relatif (Mr) suatu senyawa dapat diperoleh melalui persamaan berikut:

Mr X = massa 1 molekul senyawa X / (1/12) x massa satu atom C-12

Bobot (massa) setiap atom dapat ditemukan dalam tabel periodik, sehingga massa suatu molekul dapat diperoleh dengan cara menambahkan massa setiap atom di dalam senyawa tersebut.

Sebagai contoh, air, H₂O, tersusun atas dua atom hidrogen dan satu atom oksigen. Dengan melihat pada tabel periodik, kita dapat melihat bahwa massa satu atom hidrogen sama dengan 1,008 sma dan massa satu atom oksigen adalah 16,00 sma. Dengan demikian, massa satu molekul air dapat diperoleh dengan menjumlahkan massa dua atom hidrogen dan massa satu atom oksigen.

Mr H₂O = 2 x Ar H + 1 x Ar O = 2 x 1,008 + 1 x 16,00 = 18,016 sma

Contoh lain, pada tabel periodik, kita dapat melihat bahwa massa satu atom tembaga adalah 63,55 sma dan massa satu atom belerang adalah 32,07 sma. Sementara massa satu atom oksigen adalah 16,00 sma, sementara massa satu atom hidrogen adalah 1,008 sma. Dengan demikian, massa satu molekul CuSO₄.5H₂O adalah sebagai berikut:

Mr CuSO₄.5H₂O = 1 x Ar Cu + 1 x Ar S + 4 x Ar O + 5 x Mr H₂O

= 1 x Ar Cu + 1 x Ar S + 4 x Ar O + 5 x (2 x Ar H + 1 X Ar O)

= 1 x 63,55 + 1 x 32,07 + 4 x 16,00 + 5 x (2 x 1,008 + 1 x 16,00)

= 249,700 sma

Saat kita melihat massa atom relatif karbon pada tabel periodik, ternyata massa atom relatif karbon tidak tepat 12,00 sma, melainkan 12,01 sma. Perbedaan ini disebabkan oleh kehadiran unsur karbon di alam dalam berbagai bentuk isotop.  Hal ini berarti, massa atom suatu unsur harus dinyatakan dalam bentuk nilai rata-ratanya.

Sebagai contoh, kelimpahan karbon-12  dan karbon-13 di alam masing-masing sebesar 98,90% dan 1,10%. Massa atom relatif unsur C-13 adalah 13,00335 sma. Dengan demikian, massa atom relatif rata-rata atom karbon adalah 98,90% x 12,00 sma +  1,10% x 13,00335 sma = 12,01 sma. Dengan demikian, massa atom relatif atom karbon adalah 12,01 sma. Nilai rata-rata inilah yang ditampilkan sebagai massa atom relatif unsur pada tabel periodik.

Contoh lain, unsur tembaga di alam berada dalam dua bentuk isotop, yaitu Cu-63 dan Cu-65. Kelimpahan masing-masing di alam adalah sebesar 69,09% untuk Cu-63 dan 30,91% untuk Cu-65. Massa atom relatif masing-masing isotop adalah 62,93 sma (Cu-63) dan 64,9278 sma (Cu-65). Massa atom relatif rata-rata atom tembaga adalah 69,09% x 62,93 sma + 30,91% x 64,9278 sma = 63,55 sma. Dengan demikian, massa atom relatif atom tembaga pada tabel periodik adalah 63,55 sma.

Ketika para kimiawan berhubungan dengan atom dan molekul, mereka memerlukan satuan yang sesuai yang dapat digunakan untuk ukuran atom dan molekul yang sangat kecil. Satuan ini disebut mol. Dalam sistem SI, mol adalah kuantitas yang digunakan untuk menunjukkan bahwa suatu zat  memiliki jumlah atom, molekul, maupun ion, yang sama dengan jumlah atom yang dimiliki oleh 12 gram isotop karbon-12.  Jumlah atom yang dimiliki oleh 12 gram isotop karbon-12 ditentukan melalui suatu eksperimen dan bilangan ini dikenal dengan istilah Bilangan Avogadro (N_A). Nilai yang diterima saat ini sebagai Bilangan Avogadro adalah sebagai berikut:

N_A = 6,0221367 x 10²³ (biasanya dibulatkan menjadi 6,022 x 10²³)

Hal ini berarti bahwa setiap 1 mol zat apapun, baik atom, molekul, maupun ion, akan memiliki 6,022 x 10²³ atom, molekul, maupun ion.

Sebelumnya, kita telah mengetahui bahwa satu mol isotop C-12 memiliki massa sebesar 12 gram serta 6,022 x 10²³ atom C-12. Massa yang dimiliki oleh satu mol zat disebut massa molar (massa molekul relatif atau Mr untuk senyawa; massa atom relatif atau Ar untuk unsur). Dapat dicermati bahwa massa molar (Ar) isotop C-12 sama dengan massa atom relatifnya dalam satuan sma. Dengan demikian, massa atom relatif suatu unsur  (dalam satuan sma) mewakili massa satu mol unsur bersangkutan (dalam satuan gram).

Sebagai contoh, massa atom relatif unsur Na adalah 22,99 sma. Ini berarti, massa satu mol unsur Na adalah 22,99 gram. Di dalam 22,99 gram unsur Na terdapat 6,022 x 10²³ atom Na. Bila kita memiliki unsur Na sebanyak 114,95 gram, maka akan setara dengan 114,95 gram/ 22,99 (gram/mol) atau 5 mol unsur Na. Dengan demikian, jumlah atom yang dimiliki oleh 114,95 gram unsur Na (setara dengan 5 mol unsur Na) adalah 5 x 6,022 x 10²³ atom Na.

Dengan mengetahui massa molar dan Bilangan Avogadro, kita dapat menghitung massa satu atom dalam satuan gram. Sebagai contoh, telah kita ketahui bersama bahwa massa molar C-12 adalah 12,00 gram dan terdapat 6,022 x 10²³ atom C-12 dalam satu mol unsur tersebut. Dengan demikian, massa satu atom C-12 adalah sebagai berikut:

12,00 gram atom C-12 / 6,022 x 10²³ atom C-12 = 1,993 x 10^-23 gram

Telah diketahui pula bahwa massa satu atom C-12 adalah sebesar 12 sma. Dengan demikian, hubungan antara sma dan gram dapat diperoleh melalui cara berikut:

12 sma = 1,993 x 10^-23 gram

1 sma = 1,661 x 10^-24 gram

1 gram = 6,022 x 10²³ sma

Hubungan antara massa, massa molar (Ar maupun Mr), dan jumlah partikel zat, dapat ditunjukkan melalui beberapa persamaan berikut:

mol = massa unsur / Ar unsur

mol = massa senyawa / Mr senyawa

mol = jumlah partikel / Bilangan Avogadro

Dengan mengetahui massa atom relatif (Ar) unsur-unsur penyusun senyawa, kita dapat menentukan massa molekul relatif (Mr)senyawa tersebut. Massa molar senyawa (dalam satuan gram) sama dengan massa molekul relatifnya (dalam satuan amu). Sebagai contoh, massa molekul relatif air sebesar 18,016 sma. Dengan demikian, massa molar air adalah 18,016 gram. Hal ini berarti, massa satu mol molekul air adalah sebesar 18,016 gram dan terdapat 6,022 x 10²³ molekul air. Bila kita memiliki 54,048 gram air, maka akan setara dengan 54,048 gram / 18,016 (gram/mol) atau 3 mol molekul air. Jumlah molekul yang dimiliki oleh 3 mol molekul air adalah 3 x 6,022 x 10²³ molekul air.

2.      Spektra Massa – Puncak Ion Molekuler (M+)

Halaman ini menjelaskan bagaimana menentukan massa rumus relatif (massa molekul relatif) suatu senyawa organik dari spektrum massanya. Halaman ini juga menunjukkan bagaimana spektrum massa resolusi tinggi dapat dipakai untuk menentukan rumus molekul suatu senyawa.

Menggunakan spektrum massa untuk menentukan massa rumus relatif

Pembentukan ion molekuler

Ketika sampel organik yang teruapkan melewati kamar ionisasi spektrometer massa, uap akan ditembak oleh berkas elektron. Elektron-elektron ini mempunyai energi yang cukup untuk mengeluarkan sebuah elektron dari molekul organik untuk membentuk ion positif. Ion ini disebut ion molekuler.

Ion molekuler disimbolkan dengan M⁺ atau – titik pada versi yang kedua menunjukkan fakta bahwa pada ion terdapat elektron tunggal tak berpasangan. Merupakan setengah dari pasangan elektron dalam keadaan normal – setengah yang lain dihilangkan pada proses ionisasi.

Ion molekuler cenderung tidak stabil dan pecah menjadi fragmen-fragmen yang lebih kecil. Fragmen-fragmen ini menghasilkan diagram garis. Fragmentasi tidak relevan dibahas di halaman ini – kita lebih memfokuskan pada ion molekuler.

Menggunakan ion molekuler untuk menentukan massa rumus relatif

Pada spektrum massa, ion paling berat (ion dengan nilai m/z paling besar) akan dianggap sebagai ion molekuler. Beberapa senyawa mempunyai spektra massa yang tidak mengandung puncak ion molekuler, karena semua ion molekuler pecah menjadi fragmen-fragmen.

Karena nilai m/z terbesar adalah 72, itu menunjukkan ion terbesar yang melewati spektrometer massa – dan anda dapat menganggap itu sebagai ion molekuler. Karena itu, massa rumus relatif senyawa tersebut adalah 72.

Menentukan massa rumus relatif (massa molekul relatif) dari spektrum massa adalah mudah. Carilah puncak dengan nilai m/z tertinggi, nilai itu merupakan massa rumus relatif senyawa.

Dengan demikian, ada kerumitan yang muncul karena kemungkinan ada isotop yang berbeda (misal pada karbon, klorin, atau bromin) pada ion molekuler. Kasus ini dibahas di halaman terpisah.

Menggunakan spektrum massa untuk menentukan rumus molekul

Sejauh ini kita telah melihat nilai m/z pada spektrum massa sebagai angka keseluruhan, tetapi mungkin juga untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat dengan menggunakan spektrometer massa resolusi tinggi. Anda dapat menggunakannya untuk informasi yang lebih akurat tentang massa ion molekuler untuk mengetahui rumus molekul suatu senyawa.

Massa-massa isotop yang akurat

Untuk fungsi perhitungan normal, anda cenderung untuk menggunakan massa isotop relatif. Sebagai contoh, anda terbiasa dengan angka-angka:

1H		1
12C		12
14N		14
16O		16

Untuk 4 angka desimal, dengan demikian, ini adalah massa isotop relatifnya:

1H		1.0078
12C		12.0000
14N		14.0031
16O		15.9949

Nilai karbon adalah 12.0000, tentu, karena semua massa unsur lain dihitung terhadap skala karbon-12 yang didasarkan pada isotop karbon-12 yang mempunyai massa tepat 12.

Menggunakan nilai yang akurat ini untuk menentukan rumus molekul

Dua senyawa organik sederhana mempunyai massa rumus relatif 44 – propena, C₃H₈, dan etanal, CH₃CHO. Dengan spektrometer massa resolusi tinggi, anda dapat dengan mudah menentukan senyawa yang manakah yang anda miliki.

Pada spektrometer massa resolusi tinggi, puncak ion molekuler untuk dua senyawa memberikan nilai m/z sebagai berikut:

C3H8		44.0624
CH3CHO		44.0261

Anda dapat dengan mudah mengecek dengan menambahkan angka-angka dari tabel massa isotop relatif yang akurat di atas.

Contoh soal

Suatu gas diketahui hanya mengandung unsur-unsur dari daftar berikut:

1H		1.0078
12C		12.0000
14N		14.0031
16O		15.9949

Pada spektrometer massa resolusi tinggi gas tersebut mempunyai puncak ion molekuler pada m/z = 28.0312. Gas apakah itu?

Setelah sedikit berhitung, anda akan mendapatkan 3 gas yang memiliki massa rumus relatif mendekati 28 dan yang mengandung unsur-unsur dari daftar. Yaitu N₂, CO dan C₂H₄.

Perhitungan massa rumus relatifnya secara akurat diperoleh:

N2		28.0062
CO		27.9949
C2H4		28.0312

Jelas gas itu adalah C₂H₄.

3.      Bilangan Avogrado

Bilangan Avogadro merupakan bilangan tertentu untuk sesuatu dan umumnya, sesuatu itu adalah atom dan molekul. Dengan demikian, mol berhubungan dengan dunia mikroskopis atom dan molekul. Mol juga berhubungan dengan dunia makroskopis, yaitu bobot (massa). Satu mol adalah jumlah partikel yang terdapat dalam tepat 12 gram atom C-12. Jadi, 12 gram atom C-12 tepat mengandung 6,022 x 10²³ atom C-12, yang juga merupakan satu mol atom C-12. Untuk unsur lainnya, satu mol adalah bobot atom yang dinyatakan dalam gram. Untuk senyawa, satu mol adalah bobot molekul (senyawa) dalam satuan gram.

Massa molekul relatif (Mr) air adalah 18,015 sma. Oleh karena satu mol adalah bobot molekul (senyawa) dalam satuan gram, maka dapat dikatakan bahwa satu mol air setara dengan 18,015 gram air. Kita juga dapat mengatakan bahwa di dalam 18,015 gram air terdapat 6,022 x 10²³molekul air. Satu mol air tersusun oleh dua mol hidrogen dan satu mol oksigen.

Mol adalah jembatan yang menghubungkan antara dunia mikroskopis dan makroskopis. Hubungan antara bilangan Avogadro, mol, dan bobot (massa) atom/molekul adalah sebagai berikut :

6,022 x 10²³ partikel  ↔  mol  ↔  bobot (massa) atom atau molekul (gram)

Sebagai contoh, banyak molekul air yang terdapat di dalam 5,50 mol air adalah sebanyak 5,50 mol x 6,022 x 10²³ molekul/mol = 3,31 x 10²⁴ molekul air. Sementara, jumlah mol air di dalam 25 gram air adalah sebanyak 25 gram /18,015 gram.mol^-1 = 1,39 mol air.

4.      Penentuan RE, RM dan Komposisi senyawa

Konsep mol dapat digunakan untuk menghitung rumus empiris suatu senyawa. Rumus empiris adalah rumus yang menyatakan perbandingan paling sederhana mol unsur-unsur pembentuk senyawa. Rumus empiris suatu senyawa dapat ditentukan melalui data komposisi persentase tiap unsur yang menyusun senyawa tersebut. 

 Komposisi persentase merupakan persentase berdasarkan bobot (massa) setiap unsur dalam senyawa tersebut. Penentuan komposisi persentase unsur merupakan salah satu dari analisis pertama yang dilakukan oleh para kimiawan saat mempelajari senyawa baru.

Sebagai contoh, suatu senyawa mempunyai persentase massa unsur sebagai berikut : 26,4% Na, 36,8% S, dan 36,8% O. Kita dapat mengasumsikan massa senyawa sebesar 100 gram (basis persentase adalah per 100), sehingga persentase tersebut dapat digunakan sebagai massa unsur. Dengan demikian, mol masing-masing unsur dapat ditentukan.

mol Na = 26,4 gram / 22,99 gram.mol^-1 = 1,15 mol Na

mol S = 36,8 gram / 32,07 gram.mol^-1 = 1,15 mol S

mol O = 36,8 gram / 16,00 gram.mol^-1 = 2,30 mol O

Rumus empiris senyawa tersebut adalah Na_1,15S_1,15O_2,30. Angka subskrip pada rumus kimia harus merupakan bilangan bulat. Dengan demikian, setelah masing-masing angka tersebut dibagi dengan 1,15, akan diperoleh rumus NaSO₂. Senyawa tersebut dikatakan memiliki rumus empiris NaSO₂. Massa molekul relatif (Mr) untuk rumus empiris tersebut adalah 22,99 + 32,07 + 2(16,00) = 87,06 gram/mol.

Pada percobaan lain, telah diketahui berdasarkan analisis spektromassa, bahwa senyawa tersebut memiliki bobot (massa) molekul sebesar 174,12 gram/mol. Bobot (massa) molekul suatu senyawa menunjukkan jenis dan jumlah masing-masing unsur yang menyusun senyawa tersebut, bukan perbandingan paling sederhana. Dengan demikian, rumus molekul (formula) suatu senyawa merupakan kelipatan dari rumus empiris senyawa bersangkutan. Dengan membagi 174,12 gram dengan 87,06 gram (membagi bobot (massa) molekul sesungguhnya dengan bobot (massa) molekul relatif), diperoleh angka dua. Hal ini berarti, rumus molekul (formula) adalah dua kali rumus empirisnya. Rumus molekul (formula) senyawa tersebut sesungguhnya adalah (NaSO₂)₂ = Na₂S₂O₄