Pada pokok bahasan tentang stoikiometri kali ini, kita akan mengenal stoikiometri larutan dalam air (aq) dan stoikiometri dalam gas (bagian 5.5), untuk itu kita perlu menggunakan pengetahuan yang telah dimiliki sebelumnya tentang struktur atom dan rumus kimia untuk mempelajari hubungan massa atom dan molekul. Hubungan ini akan membantu kita untuk menjelaskan komposisi dari suatu senyawa serta bagaimana komposisi itu dapat diubah melalui reaksi kimia.
Massa atom suatu unsur tergantung pada jumlah proton, neutron dan elektron yang dimiliki atom tersebut. Pengetahuan tentang massa atom penting untuk pekerjaan di laboratorium. Tetapi atom adalah partikel yang sangat kecil — bahkan sebutir debu terkecil yang dapat dilihat mata telanjang mengandung sebanyak 1 x 1016 atom! Tentulah kita tidak dapat menimbang massa satu atom, tetapi mungkin untuk menentukan massa satu atom relatif terhadap massa atom lainnya melalui percobaan. Langkah pertama adalah menetapkan nilai massa satu atom dari suatu unsur tertentu sehingga dapat digunakan sebagai standar.
Berdasarkan perjanjian internasional, massa atom (kadang-kadang disebut bobot atom) adalah massa atom dalam satuan massa atom (sma). Satu satuan massa atom didefinisikan sebagai suatu massa yang tepat sama dengan seperduabelas dari massa satu atom karbon-12. Karbon-12 adalah isotop karbon yang memiliki enam proton dan enam neutron. Pengaturan massa atom karbon-12 pada 12 sma menjadi standar internasional untuk mengukur massa atom relatif unsur-unsur lainnya. Misalnya, hasil percobaan menunjukkan bahwa kerapatan atom hidrogen memiliki rata-rata hanya 8,400 persen dari kerapatan atom karbon-12. Jadi, jika massa satu atom karbon-12 tepat 12 sma, maka massa atom hidrogen harus 0,084 x 12,00 sma sama dengan 1,008 sma. Perhitungan serupa menunjukkan bahwa massa atom oksigen adalah 16,00 sma dan atom besi adalah 55,85 sma. Jadi, meskipun kita tidak tahu berapa besar massa atom besi rata-rata, tetapi kita tahu bahwa massanya kira-kira 56 kali lebih besar daripada massa atom hidrogen.
Massa Atom Rata-rata
Ketika kita melihat massa atom karbon dalam tabel periodik, kita menemukan bahwa nilainya bukan 12,00 sma tetapi 12,01 sma. Alasan untuk perbedaan ini adalah bahwa sebagian besar unsur di alam (termasuk karbon) memiliki lebih dari satu isotop. Hal ini berarti bahwa ketika kita mengukur massa atom suatu unsur, kita umumnya harus puas dengan massa rata-rata dari campuran isotop yang ada di alam. Misalnya, kelimpahan karbon-12 dan karbon-13 di alam masing-masing adalah 98,90 persen dan 1,10 persen. Massa atom karbon-13 telah diketahui 13,00335 sma. Dengan demikian, massa atom karbon rata-rata dapat dihitung sebagai berikut:
massa rata-rata atom karbon di alam = (0,9890 x 12,00000 sma) + (0,0110 x 13,00335 sma)
= 12,01 sma
Perhatikan bahwa dalam perhitungan yang melibatkan persentase, kita perlu mengonversi persentase menjadi pecahan desimal. Misalnya, 98,90 persen dikonversi menjadi 98,90/100 atau 0,9890. Karena terdapat lebih banyak atom karbon-12 daripada atom karbon-13 di alam, sehingga massa atom rata-rata lebih mendekati 12 sma daripada 13 sma.
Penting untuk dipahami bahwa ketika kita mengatakan bahwa massa atom karbon adalah 12,01 sma, kita mengacu pada nilai rata-rata. Jika atom karbon dapat diperiksa secara individu, kita akan menemukan massa atom karbon 12,00000 sma atau 13,00335 sma, tetapi tidak pernah menemukan massa atom karbon 12,01 sma. Contoh 3.1 menunjukkan bagaimana menghitung massa atom rata-rata suatu unsur.
Contoh 3.1
Tembaga merupakan suatu logam yang dikenal sejak zaman kuno yang digunakan antara lain untuk kabel listrik dan uang logam. Massa atom dari dua isotop stabilnya, ⁶³Cu (69,09 persen) dan ⁶⁵Cu (30,91 persen), masing-masing adalah 62,93 sma dan 64,9278 sma. Hitung massa atom rata-rata tembaga! Persentase yang diberikan dalam tanda kurung menunjukkan kelimpahan relatif.
Strategi
Setiap isotop berkontribusi terhadap massa atom rata-rata berdasarkan kelimpahan relatifnya. Mengalikan massa isotop dengan kelimpahan fraksional (bukan persen) akan memberikan kontribusi terhadap massa atom rata-rata isotop tertentu.
Penyelesaian
Pertama, persen dikonversi menjadi desimal: 69,09 persen menjadi 69,09/100 atau 0,6909 dan 30,91 persen menjadi 30,91/100 atau 0,3091. Kita menemukan kontribusi untuk massa atom rata-rata untuk setiap isotop, kemudian menambahkan kontribusi keduanya untuk mendapatkan massa atom rata-rata.
(0,6909 x 62,93 sma) + (0,3091 x 64,928 sma) = 63,55 sma
Periksa
Massa atom rata-rata harus berada di antara dua massa isotop; oleh karena itu, jawabannya masuk akal. Perhatikan bahwa karena ada lebih banyak isotop ⁶³Cu dari ⁶⁵Cu, sehingga massa atom rata-rata lebih mendekati 62,93 sma daripada 64,9278 sma.
Soal Latihan
Massa atom dari dua isotop stabil boron, ¹⁰B (19,78 persen) dan ¹¹B (80,22 persen), masing-masing adalah 10,0129 sma dan 11,0093 sma. Hitung massa atom rata-rata boron!
Massa atom dari unsur-unsur telah ditentukan secara akurat hingga lima atau enam angka signifikan. Namun, untuk tujuan perhitungan kimia biasanya digunakan massa atom yang akurat hanya tiga atau empat angka signifikan (lihat tabel periodik). Untuk menyederhanakan, kita akan menghilangkan kata "rata-rata" ketika kita membahas massa atom unsur-unsur.
