3.10 Hasil Reaksi (Yield)

Jumlah pereaksi pembatas yang ada pada awal reaksi menentukan hasil teoritis (yield teoritis) dari reaksi, yaitu jumlah produk yang akan dihasilkan jika semua pereaksi pembatas habis bereaksi. Jadi, yield teoritis adalah yield maksimum yang dapat diperoleh, yang diprediksi dari persamaan kimia yang setara. Dalam prakteknya, yield sebenarnya (yield aktual) atau jumlah produk yang sebenarnya diperoleh dari suatu reaksi, hampir selalu kurang dari yield teoritis. Ada banyak alasan untuk perbedaan antara yield aktual dan yield teoritis. Misalnya, kebanyakan reaksi bersifat reversibel, sehingga tidak berjalan 100 persen dari kiri ke kanan. Bahkan ketika reaksi 100 persen selesai, mungkin sulit untuk mendapatkan semua produk dari media reaksi (katakanlah, dari larutan dalam air). Beberapa reaksi bersifat kompleks dalam arti bahwa produk yang terbentuk dapat bereaksi lebih lanjut di antara mereka sendiri atau dengan reaktan membentuk produk lain. Reaksi tambahan ini akan mengurangi yield reaksi pertama.

Untuk menentukan seberapa efisien suatu reaksi yang diberikan, para ahli kimia sering mencari persen yield (% yield), yang menggambarkan proporsi yield aktual terhadap yield teoretis. Persen yield dihitung sebagai berikut:

Persen yield (% yield) dapat berkisar antara kurang dari 1 persen hingga 100 persen. Para ahli kimia berusaha untuk memaksimalkan persen yield dalam suatu reaksi. Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi persen yield (% yield) termasuk suhu dan tekanan. Kita akan mempelajari efek ini nanti.

Dalam Contoh 3.16 Kita menghitung hasil dari suatu proses industri.

Contoh 3.16

Titanium adalah logam yang kuat, ringan, tahan korosi yang digunakan dalam industri roket, pesawat terbang, mesin jet, dan rangka sepeda. Titanium disediakan dengan reaksi titanium (IV) klorida dengan magnesium cair antara 950⁰C dan 1150⁰C:

TiCl₂(g) + 2Mg(l) →  Ti(S) + 2MgCl₂(l)

Dalam operasi industri tertentu 3,54 x 10⁷ g TiCl₄ direaksikan dengan 1,13 x 10⁷ g Mg. (a) Hitung yield teoritis Ti dalam gram. (b) Hitung persen yield jika yield aktual yang diperoleh 7,91 x 10⁶ g Ti.

(a)
Strategi

Karena ada dua reaktan, ini mungkin menjadi masalah pereaksi pembatas. Reaktan yang menghasilkan lebih sedikit mol produk adalah pereaksi pembatas. Bagaimana kita mengonversi dari jumlah reaktan ke jumlah produk? Lakukan perhitungan ini untuk setiap reaktan, lalu bandingkan mol produk Ti yang terbentuk.

Penyelesaian

Lakukan dua perhitungan terpisah untuk melihat yang mana dari dua reaktan yang merupakan pereaksi pembatas. Pertama, dimulai dengan 3,54 x 10⁷ g TiCl₄, hitung jumlah mol Ti yang dapat diproduksi jika semua TiCl₄ bereaksi. Konversinya adalah

gram TiCl₄  → mol TiCl₄ → mol Ti

sehingga

Selanjutnya, kita menghitung jumlah mol Ti yang terbentuk dari 1,13 x 10⁷ g Mg. Langkah-langkah konversi adalah

gram Mg  → mol Mg → mol Ti

sehingga

Oleh karena itu, TiCl₄ adalah pereaksi pembatas karena menghasilkan jumlah Ti yang lebih sedikit. Massa Ti terbentuk adalah

(b) 
Strategi 

Massa Ti ditentukan sebagian (a) adalah hasil teoritis. Jumlah yang diberikan sebagian (b) adalah hasil reaksi aktual.

Penyelesaian
Persen hasil diberikan oleh

Periksa
Haruskah persen yield  kurang dari 100 persen?

Latihan Soal

Secara industri, logam vanadium, yang digunakan dalam paduan baja, dapat diperoleh dengan mereaksikan vanadium (V) oksida dengan kalsium pada suhu tinggi:

5Ca + V₂O₅ → 5CaO + 2V

Dalam satu proses, 1,54 x 10³ g V₂O₅ bereaksi dengan 1,96 x 10³ g Ca. (a) Hitung yield teoritis dari V. (b) Hitung persen yield jika 803 g V diperoleh.

Dalam proses industri biasanya melibatkan jumlah yang besar (ribuan hingga jutaan ton) produk. Dengan demikian, bahkan sedikit peningkatan yield reaksi dapat secara signifikan mengurangi biaya produksi. Salah satu contohnya adalah pembuatan pupuk kimia.

3.9 Pereaksi Pembatas

Ketika seorang kimiawan mengerjakan suatu reaksi, reaktan biasanya tidak terdapat dalam jumlah stoikiometri yang tepat, yaitu, dalam proporsi yang ditunjukkan oleh persamaan setara. Karena tujuan dari suatu reaksi adalah menghasilkan jumlah maksimum senyawa yang berguna dari bahan awal, seringkali satu reaktan diberikan berlebih untuk memastikan bahwa reaktan yang lebih mahal sepenuhnya diubah menjadi produk yang diinginkan. Akibatnya, beberapa reaktan akan tersisa pada akhir reaksi. Reaktan yang digunakan pertama kali dalam reaksi disebut pereaksi pembatas, karena jumlah maksimum produk yang terbentuk tergantung pada berapa banyak jumlah awal reaktan ini. Ketika reaktan ini digunakan semua (habis bereaksi), tidak ada lagi produk yang dapat terbentuk. Reagen berlebih adalah pereaksi yang terdapat dalam jumlah yang berlebih dari yang diperlukan untuk bereaksi dengan sejumlah tertentu pereaksi pembatas.

Konsep pereaksi pembatas analog dengan hubungan antara pria dan wanita dalam kontes lomba dansa di klub dansa. Jika ada 14 pria dan hanya 9 wanita, maka hanya 9 pasangan yang bisa bersaing. Lima pria akan ditinggalkan tanpa pasangan. Jumlah wanita membatasi jumlah pria yang bisa ikut lomba dansa dalam kontes tersebut, dan ada kelebihan 5 pria.

Perhatikan sintesis industri metanol (CH₃OH) dari karbon monoksida dan hidrogen pada suhu tinggi:

CO(g) + 2H₂(g) → CH₃OH(g)

Misalkan awalnya kita memiliki 4 mol CO dan 6 mol H₂ (Gambar 3.9). Salah satu cara untuk menentukan yang mana dari dua reaktan menjadi pereaksi pembatas adalah dengan menghitung jumlah mol CH₃OH yang diperoleh berdasarkan jumlah awal CO dan H₂. Dari definisi sebelumnya, kita melihat bahwa hanya pereaksi pembatas yang akan menghasilkan jumlah produk yang lebih sedikit. Dimulai dengan 4 mol CO, kita menemukan jumlah mol CH₃OH yang dihasilkan

dan dimulai dengan 6 mol H₂, jumlah mol CH₃OH yang terbentuk

Karena H₂ menghasilkan CH₃OH dalam jumlah yang lebih sedikit, ini harus menjadi pereaksi pembatas. Oleh karena itu, CO adalah pereaksi berlebih.

Dalam perhitungan stoikiometri yang melibatkan pereaksi pembatas, langkah pertama adalah memutuskan reaktan mana yang merupakan pereaksi pembatas. Setelah pereaksi pembatas telah diidentifikasi, sisa masalah dapat dipecahkan sebagaimana diuraikan dalam Bagian 3.8. Contoh 3.15 mengilustrasikan pendekatan ini.

Contoh 3.15

Urea [(NH₂)₂CO] dibuat dengan mereaksikan amonia dengan karbon dioksida:

2NH₃(g) + CO₂(g) → (NH₂)₂CO(aq) + H₂O(l)

Dalam satu proses, 637,2 g NH₃ direaksikan dengan 1142 g CO₂. (a) Manakah dari dua reaktan yang merupakan pereaksi pembatas? (b) Hitung massa (NH₂)₂CO yang terbentuk. (c) Berapa banyak pereaksi berlebih (dalam gram) yang tersisa pada akhir reaksi?

(a)

Strategi

Reaktan yang menghasilkan lebih sedikit mol produk adalah pereaksi pembatas karena membatasi jumlah produk yang dapat dibentuk. Bagaimana kita mengkonversi dari jumlah reaktan ke jumlah produk? Lakukan perhitungan ini untuk setiap reaktan, lalu bandingkan mol produk, (NH₂)₂CO, yang dibentuk oleh jumlah yang diberikan NH₃ dan CO₂ untuk menentukan reaktan yang merupakan pereaksi pembatas.

Penyelesaian

Kita melakukan dua perhitungan terpisah. Pertama, dimulai dengan 637,2 g NH₃, kita menghitung jumlah mol (NH₂)₂CO yang dapat diproduksi jika semua NH₃ bereaksi sesuai dengan konversi berikut:

gram NH₃ →  mol NH₃ → mol (NH₂)₂CO

Menggabungkan konversi ini dalam satu langkah, kita menulis

Kedua, untuk 1142 g CO₂, konversi tersebut

gram CO₂ →  mol CO₂ → mol (NH₂)₂CO

Jumlah mol (NH₂)₂CO yang dapat diproduksi jika semua CO₂ bereaksi

Oleh karena itu, bahwa NH₃ harus menjadi pereaksi pembatas karena menghasilkan jumlah yang lebih sedikit (NH₂)₂CO.

(b)

Strategi

Kita menentukan mol (NH₂)₂CO yang diproduksi sebagian (a), menggunakan NH₃ sebagai pereaksi pembatas. Bagaimana kita mengonversi dari mol ke gram?

Penyelesaian

Massa molar (NH₂)₂CO adalah 60,06 g. Kita menggunakan ini sebagai faktor konversi untuk mengonversi dari mol (NH₂)₂CO ke gram (NH₂)₂CO:

Periksa

Apakah jawaban Anda terlihat masuk akal? 18,71 mol produk terbentuk. Berapa massa 1 mol (NH₂)₂CO?

(c)
Strategi

Bekerja mundur, kita dapat menentukan jumlah CO₂ yang bereaksi untuk menghasilkan 18,71 mol (NH₂)₂CO. Jumlah CO₂ yang tersisa adalah perbedaan antara jumlah awal dan jumlah yang direaksikan.

Penyelesaian

Dimulai dengan 18,71 mol (NH₂)₂CO, kita dapat menentukan massa CO₂ yang bereaksi dengan menggunakan rasio mol dari persamaan setara dan massa molar dari CO₂. Langkah-langkah konversi adalah

mol (NH₂)₂CO →  mol CO₂ → gram CO₂

sehingga

Jumlah CO₂ yang tersisa (berlebih) adalah selisih antara jumlah awal (1142 g) dan jumlah yang direaksikan (823,4 g):

massa CO₂ yang tersisa = 1142 g - 823,4 g = 319 g

Latihan Soal

Reaksi antara aluminium dan besi (III) oksida dapat menghasilkan suhu mendekati 3000⁰C dan digunakan dalam pengelasan logam:

2Al + Fe₂O₃ → Al₂O₃ + 2Fe

Dalam satu proses, 124 g Al direaksikan dengan 601 g Fe₂O₃. (a) Hitung massa (dalam gram) Al₂O₃ yang terbentuk. (b) Berapa banyak pereaksi berlebih yang tersisa pada akhir reaksi?

Contoh 3.15 memberi titik penting. Dalam prakteknya, ahli kimia biasanya memilih bahan kimia yang lebih mahal sebagai pereaksi pembatas sehingga semua atau sebagian besar akan dikonsumsi dalam reaksi. Dalam sintesis urea, NH₃ selalu merupakan pereaksi pembatas karena jauh lebih mahal daripada CO₂.

3.8 Jumlah Reaktan Dan Produk

Pertanyaan mendasar yang sering muncul di laboratorium kimia adalah "Berapa banyak produk yang akan dibentuk dari jumlah tertentu bahan awal (reaktan)?" Atau dalam beberapa kasus, kita mungkin mengajukan pertanyaan terbalik: "Berapa banyak bahan awal yang harus digunakan untuk mendapatkan jumlah produk tertentu? ”Untuk menginterpretasi suatu reaksi secara kuantitatif, kita perlu menerapkan pengetahuan kita tentang massa molar dan konsep mol. Stoikiometri adalah studi kuantitatif dari reaktan dan produk dalam reaksi kimia.

Meskipun satuan yang diberikan untuk reaktan (atau produk) adalah mol, gram, liter (untuk gas), atau beberapa satuan lainnya, kita menggunakan mol untuk menghitung jumlah produk yang terbentuk dalam suatu reaksi. Pendekatan ini disebut metode mol, yang berarti bahwa koefisien stoikiometri dalam persamaan kimia dapat diartikan sebagai jumlah mol dari setiap zat. Misalnya, amonia dalam industri disintesis dari hidrogen dan nitrogen sebagai berikut:

N₂(g)  +  3H₂(g) → 2NH₃(g)

Koefisien stoikiometri menunjukkan bahwa satu molekul N₂ bereaksi dengan tiga molekul H₂ membentuk dua molekul NH₃. Oleh karena itu, jumlah mol relatif sama dengan jumlah molekul relatif:

N₂(g)	+  3H₂(g)	→	2NH₃(g)
1 molekul	3 molekul		2 molekul
6,022 x 10²³ molekul	3(6,022 x 10²³ molekul)		3(6,022 x 10²³ molekul)
1 mol	1 mol		1 mol

Dengan demikian, persamaan ini juga dapat dibaca sebagai "1 mol gas N₂ bereaksi dengan 3 mol gas H₂ menghasilkan 2 mol gas NH₃." Dalam perhitungan stoikiometri, kita mengatakan bahwa tiga mol H₂ setara dengan dua mol NH₃, ditulis

3 mol H₂ ≃  2 mol NH₃

di mana simbol ≃ berarti "setara stoikiometrik" atau "setara". Hubungan ini memungkinkan kita untuk menulis faktor konversi

Demikian pula, kita memiliki 1 mol N₂ ≃ 2 mol NH₃ dan 1 mol N₂ ≃ 3 mol H₂.

Mari kita perhatikan contoh sederhana di mana 6,0 mol H₂ bereaksi sepenuhnya dengan N₂  membentuk NH₃. Untuk menghitung jumlah NH₃ yang dihasilkan dalam mol, kita menggunakan faktor konversi yang memiliki H₂ dalam penyebut dan menulis

Sekarang asumsikan 16,0 g H₂ bereaksi sepenuhnya dengan N₂ membentuk NH₃. Berapa gram NH₃ yang akan terbentuk? Untuk melakukan perhitungan ini, kita mencatat bahwa hubungan antara H₂ dan NH₃ adalah rasio mol dari persamaan setara. Jadi kita harus terlebih dahulu mengkonversi gram H₂ ke mol H₂, kemudian ke mol NH₃, dan akhirnya ke gram NH₃. Langkah-langkah konversi adalah

gram H₂ → mol H₂ → mol NH₃ → gram NH₃

Pertama, kita mengubah 16,0 g H₂ menjadi jumlah mol H₂, menggunakan massa molar H₂ sebagai faktor konversi:

Selanjutnya, kita menghitung jumlah mol NH₃ yang dihasilkan.

Akhirnya, kita menghitung massa NH₃ yang dihasilkan dalam gram menggunakan massa molar NH₃ sebagai faktor konversi

Ketiga perhitungan terpisah ini dapat digabungkan dalam satu langkah sebagai berikut:

Demikian pula, kita dapat menghitung massa dalam gram N₂ yang dikonsumsi dalam reaksi ini. Langkah-langkah konversi adalah

gram H₂ → mol H₂ → mol N₂ → gram N₂

Dengan menggunakan hubungan 1 mol N₂ ≃ 3 mol H₂, kita menulis

Pendekatan umum untuk memecahkan masalah stoikiometri dirangkum berikutnya.

1. Tuliskan persamaan kimia yang setara untuk reaksi.
2. Konversi jumlah reaktan yang diberikan (dalam satuan gram atau satuan lainnya) ke jumlah mol.
3. Gunakan rasio mol dari persamaan setara untuk menghitung jumlah mol produk yang terbentuk.
4. Konversi mol produk menjadi gram (atau satuan lainnya) produk.

Gambar 3.8 menunjukkan langkah-langkah ini. Kadang-kadang kita mungkin diminta untuk menghitung jumlah reaktan yang diperlukan untuk membentuk jumlah produk tertentu. Dalam kasus tersebut, kita dapat membalikkan langkah-langkah yang ditunjukkan pada Gambar 3.8.

Gambar 3.8 Prosedur untuk menghitung jumlah reaktan atau produk dalam reaksi menggunakan metode mol.

Contoh 3.13 dan 3.14 menggambarkan penerapan pendekatan ini.

Contoh 3.13

Makanan yang kita makan diuraikan atau dipecah di dalam tubuh kita untuk menyediakan energi yang kita perlukan bagi pertumbuhan dan melakukan berbagai fungsi tubuh. Persamaan umum keseluruhan untuk proses yang sangat kompleks ini menggambarkan penguraian glukosa (C₆H₁₂O₆) menjadi karbon dioksida (CO₂) dan air (H₂O):

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ →  6CO₂ + 6H₂O

Jika 856 g C₆H₁₂O₆ dikonsumsi oleh seseorang selama periode tertentu, berapa massa CO₂ yang dihasilkan?

Strategi

Melihat persamaan setara, bagaimana kita membandingkan jumlah C₆H₁₂O₆ dan CO₂? Kita dapat membandingkannya berdasarkan rasio mol dari persamaan setara. Dimulai dengan gram C₆H₁₂O₆, bagaimana kita mengkonversi ke mol C₆H₁₂O₆? Setelah mol CO₂ ditentukan dengan menggunakan rasio mol dari persamaan setara, bagaimana kita mengkonversi ke gram CO₂?

Penyelesaian

Kita mengikuti langkah-langkah sebelumnya dan Gambar 3.8.

Langkah 1: Persamaan setara diberikan dalam soal.

Langkah 2: Untuk mengkonversi gram C₆H₁₂O₆ ke mol C₆H₁₂O₆, kita menuliskan

Langkah 3: Dari rasio mol, kita melihat bahwa 1 mol _{C₆H₁₂O₆} ≃ 6 mol CO₂. Oleh karena itu, jumlah mol CO₂ yang terbentuk adalah

Langkah 4: Akhirnya, jumlah gram CO₂ yang terbentuk diberikan oleh

Setelah beberapa latihan, kita dapat menggabungkan langkah-langkah konversi

gram C₆H₁₂O₆ → mol C₆H₁₂O₆ → mol CO₂ → gram CO₂

Periksa

Apakah jawabannya tampak masuk akal? Apakah massa CO₂ yang dihasilkan lebih besar dari massa C₆H₁₂O₆  yang bereaksi, meskipun massa molar dari CO₂ jauh lebih sedikit daripada massa molar C₆H₁₂O₆? Berapa rasio mol antara CO₂ dan C₆H₁₂O₆?

Latihan
Metanol (CH₃OH) terbakar di udara sesuai dengan persamaan

2CH₃OH + 3O₂  →  2CO₂ + 4H₂O

Jika 209 gram metanol digunakan dalam proses pembakaran, berapa massa H₂O yang dihasilkan?

Contoh 3.14

Semua logam alkali bereaksi dengan air menghasilkan gas hidrogen dan hidroksida logam alkali yang sesuai. Reaksi tipikal adalah antara litium dan air:

2Li(s) + 2H₂O(l) → 2LiOH(aq) + H₂(g)

Berapa gram Li yang diperlukan untuk menghasilkan 9,89 g H₂?

Strategi

Pertanyaannya meminta jumlah gram reaktan (Li) untuk membentuk jumlah tertentu dari produk (H₂). Oleh karena itu, kita perlu membalikkan langkah-langkah yang ditunjukkan pada Gambar 3.8. Dari persamaan yang kita lihat bahwa 2 mol Li ≃ 1 mol H₂.

Penyelesaian
Langkah-langkah konversi adalah

gram H₂ → mol H₂ → mol Li → gram Li

Menggabungkan langkah-langkah ini ke dalam satu persamaan, kita dapat menuliskan

Periksa

Ada sekitar 5 mol H₂ dalam 9,89 g H₂, jadi kita membutuhkan 10 mol Li. Dari perkiraan massa molar Li (7 g), apakah jawabannya tampak masuk akal?

Latihan

Reaksi antara nitrit oksida (NO) dan oksigen  membentuk nitrogen dioksida (NO₂) adalah langkah kunci dalam pembentukan kabut fotokimia:

2NO(g) + O₂(g) → 2NO₂(g)

Berapa gram O₂ yang dibutuhkan untuk menghasilkan 2,21 g NO₂?

3.7 Reaksi Kimia dan Persamaan Kimia

Setelah membahas massa atom dan massa molekul, sekarang kita beralih ke peristiwa yang terjadi pada level mikroskopik atom, molekul dan ion dalam reaksi kimia. Reaksi kimia adalah suatu proses di mana suatu zat (atau senyawa) diubah menjadi satu atau lebih senyawa baru. Untuk berkomunikasi satu sama lain tentang reaksi kimia, para ahli kimia telah menemukan cara standar untuk menggambarkan reaksi kimia menggunakan level simbolik persamaan kimia. Persamaan kimia menggunakan simbol-simbol kimia untuk menunjukkan peristiwa yang terjadi pada level mikroskopik atom, molekul dan ion selama reaksi kimia. Pada bagian ini kita akan belajar bagaimana menulis persamaan kimia dan menyetarakannya.

Menulis Persamaan Kimia

Pikirkan peristiwa yang terjadi ketika gas hidrogen (H₂) terbakar di udara (yang mengandung oksigen atau O₂) menghasilkan air (H₂O). Reaksi ini dapat digambarkan dengan persamaan kimia:

H₂  +  O₂  →  H₂O  (3.2)

di mana tanda "plus" berarti "bereaksi dengan" dan panah berarti "menghasilkan." Dengan demikian, ungkapan simbolik ini dapat dibaca: "Molekul hidrogen bereaksi dengan molekul oksigen menghasilkan air." Reaksi diasumsikan berlangsung dari kiri ke kanan seperti tanda panah.

Persamaan (3.2) tidak lengkap, karena ada dua kali lebih banyak atom oksigen di sisi kiri panah (dua) dari pada sisi kanan (satu). Untuk menyetarakan berdasarkan hukum kekekalan massa, harus ada jumlah yang sama untuk setiap jenis atom di kedua sisi tanda panah; artinya, kita harus memiliki jumlah atom yang sama setelah reaksi berakhir seperti sebelum reaksi. Kita dapat menyetarakan Persamaan (3.2) dengan menempatkan koefisien yang tepat (dalam kasus ini 2) di depan H₂ dan H₂O:

Gambar 3.7 Tiga cara untuk merepresentasikan pembakaran hidrogen. Sehubungan dengan hukum kekekalan massa, jumlah setiap jenis atom harus sama pada setiap sisi tanda panah.

Persamaan kimia yang setara ini menunjukkan bahwa "dua molekul hidrogen dapat bergabung atau bereaksi dengan satu molekul oksigen membentuk dua molekul air" (Gambar 3.7). Karena rasio jumlah molekul sama dengan rasio jumlah mol, persamaan juga dapat dibaca sebagai “2 mol molekul hidrogen bereaksi dengan 1 mol molekul oksigen menghasilkan 2 mol molekul air.” Kita mengetahui massa satu mol dari masing-masing zat ini, sehingga kita juga dapat menafsirkan persamaan kimia sebagai berikut: "4,04 g H₂ bereaksi dengan 32,00 g O₂ menghasilkan 36,04 g H₂O." Ketiga cara membaca persamaan ini dirangkum dalam Tabel 3.1.

Tabel 3.1 Penafsiran Persamaan Kimia

2H₂	+ O₂	→	2H₂O
Dua molekul	Satu molekul	→	Dua molekul
2 mol	1 mol	→	2 mol
2(2,02 g) = 4,04 g	32,00 g	→	2(18,02 g) = 36,04 g
36,04 g reaktan			36,04 g produk

Kita menyebut H₂ dan O₂ dalam Persamaan (3.2) sebagai reaktan, yang merupakan bahan awal dalam reaksi kimia. Air adalah produk, yang merupakan senyawa yang terbentuk sebagai hasil dari reaksi kimia. Jadi, Persamaan kimia hanyalah gambaran singkat dari suatu reaksi kimia. Dalam persamaan kimia, biasanya reaktan ditulis di sebelah kiri dan produk di sebelah kanan tanda panah:

Reaktan →  Produk

Untuk memberikan informasi tambahan, ahli kimia sering menunjukkan keadaan fisik (wujud zat) reaktan dan produk dengan menggunakan huruf g, l, dan s untuk menunjukkan wujud gas, cair, dan padat. Sebagai contoh,

2CO(g) + O₂(g) → 2CO₂(g)

2HgO(s) → 2Hg(l) + O₂(g)

Untuk menggambarkan peristiwa yang terjadi ketika natrium klorida (NaCl) ditambahkan ke dalam air, kita menulis

NaCl(s) NaCl(aq)

dimana aq menunjukkan larutan dalam air (aqueous). Menulis H₂O di atas panah melambangkan proses fisika pelarutan suatu zat dalam air, meskipun kadang-kadang ditinggalkan untuk penyederhanaan.

Mengetahui keadaan (wujud) reaktan dan produk sangat berguna ketika bekerja di laboratorium. Sebagai contoh, ketika kalium bromida (KBr) dan perak nitrat (AgNO₃) bereaksi dalam lingkungan berair, perak bromida (AgBr) padat terbentuk. Reaksi ini dapat diwakili dengan persamaan:

KBr(aq) + AgNO₃(aq) → KNO₃(aq) + AgBr(s)

Jika keadaan fisik reaktan dan produk tidak diberikan, orang yang belum berpengalaman mungkin mencoba untuk mereaksikan dengan mencampurkan KBr padat dengan AgNO₃ padat. Padatan ini akan bereaksi sangat lambat atau tidak sama sekali. Membayangkan proses pada tingkat mikroskopik, kita dapat memahami bahwa untuk menghasilkan produk seperti perak bromida, ion Ag⁺ dan Br⁻ harus bersentuhan satu sama lain. Tetapi, ion-ion ini terkunci di tempat dalam senyawa padatnya dan memiliki sedikit mobilitas. (Ini adalah contoh bagaimana kita menjelaskan suatu fenomena dengan memikirkan tentang apa yang terjadi pada tingkat molekul, sebagaimana dibahas dalam Bagian 1.2.)

Menyetarakan Persamaan Kimia

Misalkan kita ingin menulis persamaan untuk menggambarkan reaksi kimia yang baru saja kita lakukan di laboratorium. Bagaimana seharusnya kita melakukannya? Karena kita mengetahui identitas reaktan, kita bisa menulis rumus kimianya. Identitas produk lebih sulit ditentukan. Untuk reaksi sederhana seringkali dimungkinkan untuk memprediksi produk. Untuk reaksi yang lebih rumit yang melibatkan tiga atau lebih produk, ahli kimia mungkin perlu melakukan uji lebih lanjut untuk menetapkan keberadaan senyawa tertentu.

Setelah kita mengidentifikasi semua reaktan dan produk dan telah menulis rumus kimia yang benar untuk masing-masing, kita mengelompokkannya secara konvensional — reaktan di sebelah kiri tanda panah dan produk di sebelah kanan. Persamaan yang ditulis pada titik ini cenderung tidak setara; yaitu, jumlah masing-masing jenis atom pada satu sisi tanda panah berbeda dari jumlah di sisi yang lain. Secara umum, kita dapat menyetarakan persamaan kimia dengan langkah-langkah berikut:

1. Identifikasi semua reaktan dan produk dan tuliskan rumus kimia yang benar di sisi kiri dan sisi kanan tanda panah.
2. Mulailah menyetarakan persamaan dengan mencoba koefesien yang berbeda untuk membuat jumlah atom dari setiap unsur sama pada kedua sisi tanda panah. Kita dapat mengubah koefisien (angka yang didepan rumus kimia) tetapi bukan subskrip (angka indeks bawah dalam rumus kimia). Mengubah subskrip akan mengubah identitas senyawa. Misalnya, 2NO₂ berarti “dua molekul nitrogen dioksida,” tetapi jika kita mengalikan subskrip, kita memiliki N₂O₄, yang merupakan rumus dinitrogen tetraoksida, kedua senyawa ini benar-benar berbeda.
3. Pertama-tama, carilah unsur-unsur yang hanya muncul sekali di setiap sisi tanda panah dengan jumlah atom yang sama di setiap sisi: Rumus yang mengandung unsur-unsur ini harus memiliki koefisien yang sama. Oleh karena itu, tidak perlu menyetarakan koefisien unsur-unsur ini pada langkah ini. Selanjutnya, carilah unsur-unsur yang muncul hanya sekali pada setiap sisi tanda panah tetapi dalam jumlah atom yang tidak sama. Setarakan unsur-unsur ini. Akhirnya, unsur-unsur yang setara muncul dalam dua atau lebih rumus kimia pada kedua sisi tanda panah.
4. Periksa persamaan setara tersebut untuk memastikan bahwa kita memiliki jumlah total yang sama untuk setiap jenis atom di kedua sisi tanda panah persamaan.

Mari kita perhatikan contoh khusus. Di laboratorium, sejumlah kecil gas oksigen dapat disiapkan dengan memanaskan kalium klorat (KClO₃). Produknya adalah gas oksigen (O₂) dan kalium klorida (KCl). Dari informasi ini, kita menulis

KClO₃ → KCl + O₂

(Untuk penyederhanaan, kita menghilangkan keadaan fisik reaktan dan produk.) Ketiga unsur (K, Cl, dan O) hanya muncul sekali pada setiap sisi tanda panah, tetapi hanya untuk K dan Cl kita memiliki jumlah atom yang sama pada kedua sisi tanda panah. Dengan demikian, KClO₃ dan KCl harus memiliki koefisien yang sama. Langkah selanjutnya adalah membuat jumlah atom O sama pada kedua sisi tanda panah. Karena ada tiga atom O di sebelah kiri dan dua atom O di sebelah kanan tanda panah, kita dapat menyetarakan atom O dengan menempatkan 2 di depan KClO₃ dan 3 di depan O₂.

2KClO₃ → KCl + 3O₂

Akhirnya, kita menyetarakan atom K dan Cl dengan menempatkan 2 di depan KCl:

2KClO₃ → 2KCl + 3O₂   (3.3)

Sebagai pemeriksaan terakhir, kita dapat menyusun neraca untuk reaktan dan produk di mana angka dalam tanda kurung menunjukkan jumlah atom dari setiap unsur:

Reaktan	Produk
K (2)	K (2)
Cl (2)	Cl (2)
O (6)	O (6)

Perhatikan bahwa persamaan ini juga bisa disetarakan dengan koefisien yang dikalikan 2 (untuk KClO₃), 2 (untuk KCl), dan 3 (untuk O₂); sebagai contoh,

4KClO₃ → 4KCl + 6O₂

Namun, ini adalah praktik umum untuk menggunakan sekumpulan koefisien jumlah-total yang paling sederhana untuk menyetarakan persamaan. Persamaan (3.3) sesuai dengan perjanjian ini.

Sekarang mari kita perhatikan pembakaran dari komponen gas alam etana (C₂H₆) dalam oksigen atau udara, yang menghasilkan karbon dioksida (CO₂) dan air. Persamaan yang tidak setara adalah

C₂H₆ + O₂ → CO₂ + H₂O

Kita melihat bahwa jumlah atom tidak sama pada kedua sisi tanda panah untuk setiap unsur (C, H, dan O). Selain itu, C dan H hanya muncul sekali di setiap sisi tanda panah; O muncul dalam dua senyawa di sisi kanan tanda panah (CO₂ dan H₂O). Untuk menyetarakan atom C, kita menempatkan 2 di depan CO₂:

C₂H₆ + O₂ → 2CO₂ + H₂O

Untuk menyetarakan atom H, kita menambahkan koefesien 3 di depan H₂O:

C₂H₆ + O₂ → 2CO₂ + 3H₂O

Pada tahap ini, atom C dan H setara, tetapi atom O tidak karena ada tujuh atom O di sisi kanan dan hanya dua atom O di sisi kiri tanda panah. Ketidaksetaraan atom O ini dapat dihilangkan dengan menulis 7/2 di depan O₂ di sisi kiri:

"Logika" untuk menggunakan 7/2 sebagai koefisien adalah bahwa ada tujuh atom oksigen di sisi kanan tanda panah persamaan, tetapi hanya sepasang atom oksigen (O₂) di sebelah kiri. Untuk menyetarakannya, kita bertanya berapa banyak atom oksigen yang diperlukan untuk menyamai tujuh atom oksigen. Sama seperti 3,5 pasang sepatu yang sama dengan tujuh sepatu, 7/2 molekul O₂ sama dengan tujuh atom O. Seperti yang ditunjukkan penghitungan berikut, persamaannya kini setara:

Reaktan	Produk
C (2)	C (2)
H (6)	H (6)
O (7)	O (7)

Namun, kita biasanya lebih memilih untuk menyatakan koefisien sebagai bilangan bulat daripada sebagai pecahan. Oleh karena itu, kita mengalikan seluruh persamaan dengan 2 untuk mengubah 7/2 menjadi 7:

2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O

Penghitungan terakhir adalah

Reaktan	Produk
C (4)	C (4)
H (12)	H (12)
O (14)	O (14)

Perhatikan bahwa koefisien yang digunakan dalam menyetarakan persamaan terakhir adalah sekumpulan bilangan terkecil yang mungkin.

Dalam Contoh 3.12 kita akan terus mempraktekkan keterampilan penyetaraan persamaan kimia.

Contoh 3.12

Ketika logam aluminium terkena udara, lapisan pelindung aluminium oksida (Al₂O₃) terbentuk di permukaannya. Lapisan ini mencegah reaksi lebih lanjut antara aluminium dan oksigen, dan itu adalah alasan bahwa kaleng minuman aluminium tidak menimbulkan korosi. [Dalam kasus besi, berkarat, atau besi (III) oksida, bentuk-bentuk itu terlalu berpori untuk melindungi besi-besi di bawahnya, sehingga berkarat berlanjut.] Tuliskan persamaan setara untuk pembentukan Al₂O₃.

Strategi

Ingat bahwa rumus unsur atau senyawa tidak dapat diubah saat menyetarakan persamaan kimia. Persamaan ini disetarakan dengan menempatkan koefisien yang sesuai di depan rumus kimia. Ikuti prosedur yang dijelaskan pada bagian atas tadi.

Penyelesaian

Persamaan yang tidak setara adalah

Al + O₂ → Al₂O₃

Dalam persamaan yang setara, jumlah dan jenis atom di setiap sisi tanda panah persamaan harus sama. Kita melihat bahwa ada satu atom Al di sisi reaktan dan ada dua atom Al di sisi produk. Kita dapat menyetarakan atom Al dengan menempatkan koefisien 2 di depan Al pada sisi reaktan.

2Al + O₂ → Al₂O₃

Ada dua atom O di sisi reaktan, dan tiga atom O pada sisi produk dari persamaan. Kita dapat menyetarakan atom O dengan menempatkan koefisien 3/2 di depan O₂ pada sisi reaktan.

Ini adalah persamaan yang setara. Namun, persamaan biasanya diisetarakan dengan sekumpulan koefesien yang bulat dan sederhana. Mengalikan kedua sisi persamaan dengan 2 memberikan koefisien jumlah keseluruhan.

4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃

Periksa

Agar persamaan setara, jumlah dan jenis atom di setiap sisi tanda panah pada persamaan harus sama. Penghitungan terakhir adalah

Reaktan	Produk
Al (4)	Al (4)
O (6)	O (6)

Persamaannya setara. Juga, koefisien direduksi menjadi himpunan bilangan bulat yang paling sederhana.

Latihan

Setarakan persamaan yang menggambarkan reaksi antara besi (III) oksida (Fe₂O₃) dan karbon monoksida (CO) menghasilkan besi (Fe) dan karbon dioksida (CO₂).