Latihan 3

Pertanyaan Tinjauan

Pertanyaan Tinjauan Tentang Massa atom

3.1	Apa yang dimaksud dengan satuan massa atom? Mengapa perlu untuk memperkenalkan satuan tersebut?
3.2	Berapa massa (dalam sma) atom karbon-12? Mengapa massa atom karbon tertulis 12,01 sma dalam tabel periodik di sampul depan bagian dalam buku ini?
3.3	Jelaskan dengan tepat, apa yang dimaksud dengan pernyataan "Massa atom emas adalah 197,0 sma."
3.4	Informasi apa yang Anda perlukan untuk menghitung massa atom rata-rata suatu elemen?

Pertanyaan Tinjauan Tentang Bilangan Avogadro dan Massa Molar

3.5	Definisikan istilah "mol."! Apa satuan untuk mol dalam perhitungan? Apa kesamaan mol dengan sepasang, selusin, dan segross? Apa yang diwakili oleh bilangan Avogadro?
3.6	Berapakah massa molar suatu atom? Apa satuan yang umum digunakan untuk massa molar?

Pertanyaan Tinjauan Tentang Massa Molekul

3.7	Berapakah massa molekul suatu senyawa? Apa satuan yang digunakan untuk massa molekul?
3.8	Berapakah massa molekul senyawa CO2?

Pertanyaan Tinjauan Tentang Spektrometri Massa

3.9	Jelaskan operasi spektrometer massa!
3.10	Jelaskan bagaimana Anda akan menentukan kelimpahan isotop suatu unsur dari spektrum massanya!

Pertanyaan Tinjauan Tentang Persen Komposisi dan Rumus Kimia

3.11	Gunakan senyawa amonia (NH3) untuk menjelaskan apa yang dimaksud dengan persen komposisi dari massa suatu senyawa!
3.12	Jelaskan bagaimana pengetahuan tentang persen komposisi menurut massa senyawa yang tidak diketahui dapat membantu kita mengidentifikasi senyawa.
3.13	Apa arti kata "empiris" dalam rumus empiris?
3.14	Jika kita mengetahui rumus empiris suatu senyawa, informasi tambahan apa yang kita perlukan untuk menentukan rumus molekulnya?

Pertanyaan Tinjauan Tentang Reaksi Kimia dan Persamaan Kimia

3.15	Gunakan pembentukan air dari hidrogen dan oksigen untuk menjelaskan istilah-istilah berikut: reaksi kimia, reaktan, produk!
3.16	Apa perbedaan antara reaksi kimia dan persamaan kimia?
3.17	Mengapa persamaan kimia harus seimbang? Hukum apa yang dipatuhi oleh persamaan kimia yang seimbang?
3.18	Tulis simbol yang digunakan untuk mewakili gas, cairan, padatan, dan fasa air dalam persamaan kimia!

Pertanyaan Tinjauan Tentang Jumlah Reaktan dan Produk

3.19	Atas dasar hukum apa stoikiometri? Mengapa penting untuk menggunakan persamaan yang seimbang dalam memecahkan masalah stoikiometrik?
3.20	Jelaskan langkah-langkah yang terlibat dalam metode mol.

Pertanyaan Tinjauan Pereaksi Pembatas

3.21	Definisikan pereaksi pembatas dan pereaksi berlelebih! Apa signifikansi pereaksi pembatas dalam memprediksi jumlah produk yang diperoleh dalam suatu reaksi? Bisakah ada pereaksi pembatas jika hanya ada satu reaktan?
3.22	Berikan contoh sehari-hari yang menggambarkan konsep pereaksi pembatas!

Pertanyaan Tinjauan Tentang Hasil Reaksi

3.23	Mengapa hasil teoritis dari suatu reaksi hanya ditentukan oleh jumlah pereaksi pembatas?
3.24	Mengapa hasil aktual dari suatu reaksi hampir selalu lebih kecil daripada hasil teoretis?

Kata Kunci 3

Bilangan Avogadro

Hasil aktual

Hasil teoritis

Jumlah stoikiometri

Masa molar

Massa atom

Massa molekul

Metode mol

Mol (mol)

Persamaan kimia

Persen hasil

Persen komposisi berdasarkan massa

Produk

Reagen berlebih

Reagen pembatas

Reaksi kimia

Reaktan

Satuan massa atom (sma)

Stoikiometri

Ringkasan Pengetahuan Faktual dan Konseptual 3

1. Massa atom diukur dalam satuan massa atom (sma), satuan relatif berdasarkan nilai tepat 12,0000 untuk isotop C-12. Massa atom yang diberikan untuk atom-atom unsur tertentu adalah rata-rata dari yang terjadi secara alami  distribusi isotop unsur itu. Massa molekul suatu molekul adalah jumlah dari massa atom-atom dalam molekul. Baik massa atom maupun massa molekul dapat ditentukan secara akurat dengan spektrometer massa.
2. Mol adalah jumlah atom, molekul, atau partikel sejumlah bilangan Avogadro (6,022 x 10²³). Massa molar (dalam gram) suatu unsur atau senyawa secara numerik sama dengan massanya dalam satuan massa atom (sma) dan mengandung jumlah atom sejumlah bilangan Avogadro (dalam hal unsur), molekul (dalam hal zat molekul), atau satuan rumus paling sederhana (dalam hal senyawa ionik).
3. Komposisi persen menurut massa suatu senyawa adalah persen dari massa setiap unsur yang ada. Jika kita mengetahui komposisi persen berdasarkan massa suatu senyawa, kita dapat menyimpulkan rumus empiris senyawa dan juga rumus molekul senyawa tersebut jika perkiraan massa molar diketahui.
4. Perubahan kimia, yang disebut reaksi kimia, diwakili oleh persamaan kimia. Zat yang mengalami perubahan — reaktan — ditulis di sebelah kiri dan zat yang terbentuk — produk — muncul di sebelah kanan tanda panah. Persamaan kimia harus seimbang, sesuai dengan hukum kekekalan massa. Jumlah atom setiap unsur dalam reaktan harus sama dengan jumlah dalam produk.
5. Stoikiometri adalah studi kuantitatif produk dan reaktan dalam reaksi kimia. Perhitungan stoikiometri paling baik dilakukan dengan menyatakan jumlah yang diketahui dan tidak diketahui dalam hal mol dan kemudian dikonversi ke satuan lain jika perlu. Reagen pembatas adalah reaktan yang hadir dalam jumlah stoikiometrik terkecil. Reagen ini membatasi jumlah produk yang dapat dibentuk. Jumlah produk yang diperoleh dalam suatu reaksi (hasil aktual) mungkin kurang dari jumlah maksimum yang dimungkinkan (hasil teoritis). Rasio keduanya dikalikan dengan 100 persen dinyatakan sebagai hasil persen.

Rumus Penting 3

Pupuk Kimia

Memberi makan populasi dunia yang meningkat pesat mengharuskan para petani menghasilkan tanaman yang semakin besar dan sehat. Setiap tahun mereka menambahkan ratusan juta ton pupuk kimia ke tanah untuk meningkatkan kualitas dan hasil panen. Selain karbon dioksida dan air, tanaman membutuhkan setidaknya enam unsur untuk pertumbuhan yang maksimal. Unsur-unsur itu adalah N, P, K, Ca, S, dan Mg. Persiapan dan sifat beberapa pupuk yang mengandung nitrogen dan fosfor menggambarkan beberapa prinsip yang diperkenalkan dalam bab ini.

Pupuk nitrogen mengandung garam nitrat (NO₃^-), garam amonium (NH₄⁺), dan senyawa lainnya. Tumbuhan dapat menyerap nitrogen dalam bentuk nitrat secara langsung, tetapi garam amonium dan amonia (NH₃) pertama-tama harus dikonversi menjadi nitrat melalui aksi bakteri tanah. Bahan baku utama pupuk nitrogen adalah amonia, disiapkan melalui reaksi antara hidrogen dan nitrogen:

3H₂ (g) + N₂(g)  →  2NH₃(g)

(Reaksi ini akan dibahas secara rinci dalam Bab 13 dan 14.) Dalam bentuk cairnya, amonia dapat disuntikkan langsung ke tanah.
Atau, amonia dapat dikonversi menjadi amonium nitrat, NH₄NO₃, ammonium sulfat, (NH₄)₂SO₄, atau amonium hidrogen fosfat, (NH₄)₂HPO₄, dalam reaksi asam-basa berikut:

NH₃(aq) + HNO₃(aq) → NH₄NO₃(aq)
2NH₃(aq) + H₂SO₄(aq) → (NH₄)₂SO₄(aq)
2NH₃(aq) + H₃PO₄(aq) → (NH₄)₂HPO₄(aq)

Metode lain untuk menyiapkan ammonium sulfat membutuhkan dua langkah:

2NH₃(aq) + CO₂(aq) + H₂O(l) → (NH₄)₂CO₃(aq)   (1)
(NH₄)₂CO₃(aq) + CaSO₄(aq) → (NH₄)₂SO₄(aq) + CaCO₃(s) (2) 

Pendekatan ini diinginkan karena bahan awal — karbon dioksida dan kalsium sulfat — lebih murah daripada asam sulfat. Untuk meningkatkan hasil, amonia dibuat sebagai reagen pembatas dalam Reaksi (1) dan amonium karbonat dibuat sebagai reagen pembatas dalam Reaksi (2).

Tabel ini mencantumkan komposisi persen berdasarkan massa nitrogen dalam beberapa pupuk umum. Persiapan urea dibahas dalam Contoh 3.15.

Persen Komposisi berdasarkan Massa Nitrogen dalam Lima Pupuk Umum

Beberapa faktor yang mempengaruhi pilihan satu pupuk atas yang lain: (1) biaya bahan baku yang diperlukan untuk menyiapkan pupuk; (2) kemudahan penyimpanan, transportasi, dan pemanfaatan; (3) persen komposisi berdasarkan massa unsur yang diinginkan; dan (4) kesesuaian senyawa, yaitu apakah senyawa tersebut larut dalam air dan apakah dapat segera diambil oleh tanaman. Mempertimbangkan semua faktor ini bersama-sama, kita menemukan bahwa NH₄NO₃ adalah pupuk yang mengandung nitrogen paling penting di dunia, meskipun amonia memiliki persentase tertinggi berdasarkan massa nitrogen.

Pupuk fosfor berasal dari batuan fosfat, yang disebut fluorapatite dengan rumus kimia Ca₅(PO₄)₃F. Fluorapatite tidak larut dalam air, sehingga harus terlebih dahulu dikonversi menjadi kalsium dihidrogen fosfat yang larut dalam air [Ca(H₂PO₄)₂] :

2Ca₅(PO₄)₃F(s) + 7H₂SO₄(aq) → 3Ca(H₂PO₄)₂(aq) + 7CaSO₄(aq) + 2HF(g)

Untuk hasil maksimal, fluorapatite dibuat sebagai reagen pembatas dalam reaksi ini.

Reaksi yang telah kita bahas untuk persiapan pupuk semuanya tampak relatif sederhana, namun banyak upaya telah dilakukan untuk meningkatkan hasil dengan mengubah kondisi seperti suhu, tekanan, dan sebagainya. Kimiawan industri biasanya menjalankan reaksi yang menjanjikan pertama kali di laboratorium dan kemudian mengujinya di fasilitas percontohan sebelum memasukkannya ke dalam produksi massal.

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?