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.