4. Reaksi Kimia Larutan Dalam Air (aqueos)

KONSEP PENTING

• Kita mulai dengan mempelajari sifat-sifat larutan yang disiapkan dengan melarutkan zat terlarut dalam air, yang disebut aqueous (aq) selanjutnya kita sebut larutan berair atau larutan dalam air. Larutan dalam air dapat dikelompokkan sebagai larutan nonelektrolit dan larutan elektrolit, tergantung pada kemampuannya untuk menghantarkan listrik. (4.1)
• Kita akan mempelajari bahwa reaksi presipitasi atau reaksi pengendapan adalah reaksi yang ditunjukkan oleh pembentukan produk yang merupakan senyawa yang tidak larut dalam air. Kita belajar untuk merepresentasikan reaksi-reaksi ini menggunakan persamaan ionik dan persamaan ionik bersih. (4.2)
• Selanjutnya, kita mempelajari reaksi asam-basa, yang melibatkan transfer proton (H⁺) dari asam ke basa. (4.3)
• Kita kemudian mempelajari reaksi oksidasi-reduksi (redoks) yang ditunjukkan oleh transfer elektron antar reaktan. Kita akan mempelajari bahwa ada beberapa jenis reaksi redoks (4.4)
• Kita melakukan studi kuantitatif tentang larutan dalam air, kita mempelajari bagaimana mengekspresikan konsentrasi larutan dalam molaritas. (4.5)
• Terakhir, kita akan menerapkan pengetahuan kita tentang metode mol yang dipelajari pada Bab 3 hingga tiga jenis reaksi yang dipelajari di bab ini. Kita akan mempelajari bagaimana analisis gravimetri digunakan untuk mempelajari reaksi presipitasi, dan teknik titrasi digunakan untuk mempelajari reaksi asam-basa dan titrasi redoks. (4.6, 4.7, dan 4.8)

Banyak reaksi kimia dan hampir semua proses biologis terjadi di dalam air. Dalam bab ini, kita akan membahas tiga kategori utama reaksi yang terjadi di dalam larutan: reaksi presipitasi, reaksi asam-basa, dan reaksi redoks. Dalam bab-bab selanjutnya, kita akan mempelajari karakteristik struktural dan sifat-sifat air — yang disebut pelarut universal — dan larutannya.

Tugas 3

Soal-Soal Evaluasi

3.1	Massa atom 17Cl³⁵ (75,53 persen) dan ₁₇Cl³⁷ (24,47 persen) masing-masing adalah 34,968 sma dan 36,956 sma. Hitung massa atom klorin rata-rata. Persentase dalam tanda kurung menunjukkan kelimpahan relatif.
3.2	Populasi bumi adalah sekitar 6,5 miliar. Misalkan setiap orang di Bumi berpartisipasi dalam proses penghitungan partikel identik pada kecepatan dua partikel per detik. Berapa tahun yang dibutuhkan untuk menghitung 6,0 x 10²³ partikel? Asumsikan ada 365 hari dalam setahun.
3.3	Hitung massa molekul atau massa rumus (dalam sma) dari masing-masing zat berikut: (a) CH4, (b) NO2, (c) SO3, (d) C6H6, (e) NaI, ( f) K2SO4, (g) Ca3 (PO4)2.
3.4	Karbon memiliki dua isotop stabil, ₆C¹² dan ₆C¹³, dan fluor hanya memiliki satu isotop stabil ₉F¹⁹. Berapa banyak puncak yang akan Anda amati dalam spektrum massa ion positif CF₄+? Asumsikan bahwa ion tidak pecah menjadi fragmen yang lebih kecil.
3.5	Timah (Sn) ada di kerak bumi sebagai SnO2. Hitung persentase komposisi berdasarkan massa Sn dan O dalam SnO2.
3.6	Setarakan persamaan berikut menggunakan metode yang dijabarkan dalam Bagian 3.7 (a)    C + O2 à CO (b)   CO  +  O2  à  CO2 (c)    H2  +  Br2  à  HBr (d)   K  +  H2O  à  KOH (e)    Mg  +  O2  à  MgO (f)    O3  à  O2 (g)   H2O2  à  H2O  +  O2 (h)   N2  +  H2  à  NH3 (i)     Zn  +  AgCl  à  ZnCl2  +  Ag (j)     S8  +  O2  à  SO2 (k)   NaOH  +  H2SO4  à  Na2SO4  +  H2O (l)     Cl2  +  NaI  à  NaCl  +  I2 (m) KOH  +  H3PO4  à  K3PO4  +  H2O (n)   CH4  +  Br2  à  CBr4  +  HBr
3.7	Manakah dari persamaan berikut yang paling mewakili reaksi yang ditunjukkan pada diagram? (a)    8A  +  4B  à  C  +  D (b)   4A  +  8B  à  4C  +  4D (c)    2A  +  B  à  C  +  D (d)   4A  +  2B  à  4C  +  4D (e)    2A  +  4B  à  C  +  D
3.8	Perhatikan reaksinya 2A  +  B  à  C Dalam diagram di sini yang mewakili reaksi, reaktan manakah, A atau B, yang merupakan pereaksi pembatas? (b) Dengan asumsi reaksi lengkap, gambarkan representasi model molekul dari jumlah reaktan dan produk yang tersisa setelah reaksi. Susunan atom dalam C adalah ABA.
3.9	Hidrogen fluorida digunakan dalam pembuatan Freon (yang menghancurkan ozon di stratosfer) dan dalam produksi logam aluminium. Itu disiapkan oleh reaksi CaF2  +  H­2SO4   à   CaSO4  +  2HF Dalam satu proses, 6,00 kg CaF2 diperlakukan dengan kelebihan H2SO4 dan menghasilkan 2,86 kg HF. Hitung persentase hasil HF.

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.