3.6 Penentuan Rumus Empiris Melalui Percobaan

Fakta bahwa kita dapat menentukan rumus empiris senyawa jika diketahui persen komposisinya dan memungkinkan kita untuk mengidentifikasi senyawa secara eksperimental. Prosedurnya adalah sebagai berikut. Pertama, analisis kimia untuk mengetahui jumlah gram setiap unsur yang terkandung dalam suatu senyawa dengan massa tertentu. Kemudian, kita mengonversi jumlah dalam gram menjadi jumlah dalam mol untuk setiap unsur. Akhirnya, dengan menggunakan metode yang diberikan dalam Contoh 3.9, kita menemukan rumus empiris dari senyawa tersebut.

Sebagai contoh spesifik, mari kita perhatikan senyawa etanol. Ketika etanol dibakar dalam perangkat alat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.6, karbon dioksida (CO₂) dan air (H₂O) dilepaskan. Karena tidak ada karbon maupun hidrogen dalam gas masukan, maka dapat disimpulkan bahwa baik karbon (C) dan hidrogen (H) ada dalam etanol dan oksigen (O) juga dapat ada dalam etanol. (Molekul oksigen ditambahkan dalam proses pembakaran, tetapi beberapa oksigen mungkin juga berasal dari sampel etanol.)

Gambar 3.6 Peralatan untuk menentukan rumus empiris etanol. Absorber adalah zat yang dapat menyerap air dan karbon dioksida.

Massa CO₂ dan H₂O yang dihasilkan dapat ditentukan dengan mengukur peningkatan massa dari masing-masing absorber CO₂ dan H₂O. Misalkan dalam satu percobaan pembakaran 11,5 g etanol menghasilkan 22,0 g CO₂ dan 13,5 g H₂O. Kita dapat menghitung massa karbon dan hidrogen dalam 11,5 g sampel etanol sebagai berikut:

Dengan demikian, 11,5 g etanol mengandung 6,00 g karbon dan 1,51 g hidrogen. Sisanya harus oksigen, yaitu

massa O = massa sampel - (massa C + massa H)
               = 11,5 g - (6,00 g + 1,51 g) = 4,00 g O

Jumlah mol setiap unsur dalam 11,5 gram sampel etanol adalah

Oleh karena itu, rumus etanol C₀,₅₀H₁,₅O₀,₂₅ (kita membulatkan jumlah mol menjadi dua angka penting). Karena jumlah atom harus berupa bilangan bulat, kita membagi subskrip dengan subskrip terkecil 0,25 dan memperoleh rumus empiris C₂H₆O.

Sekarang kita dapat lebih memahami kata "empiris," yang secara harfiah berarti "hanya berdasarkan pengamatan dan pengukuran." Rumus empiris etanol ditentukan dari analisis senyawa dalam hal unsur-unsur penyusunnya. Pengetahuan tentang bagaimana atom-atom berikatan satu sama lain dalam suatu senyawa tidak diperlukan.

Penentuan Rumus Molekul

Rumus yang dihitung dari persen komposisi massa selalu merupakan rumus empiris karena subskrip dalam rumus selalu direduksi menjadi bilangan bulat terkecil. Untuk menghitung rumus molekul sebenarnya, kita harus mengetahui perkiraan massa molar senyawa tersebut selain rumus empirisnya. Mengetahui bahwa massa molar suatu senyawa harus merupakan perpaduan integral dari massa molar rumus empirisnya, kita dapat menggunakan massa molar untuk menemukan rumus molekul, seperti yang ditunjukkan pada Contoh 3.11.

Contoh 3.11

Sampel senyawa mengandung 1,52 g nitrogen (N) dan 3,47 g oksigen (O). Massa molar dari senyawa ini adalah antara 90 g dan 95 g. Tentukan rumus molekul dan massa molar akurat dari senyawa tersebut.

Strategi

Untuk menentukan rumus molekul, pertama kita perlu menentukan rumus empiris. Bagaimana kita mengonversi antara gram dan mol? Membandingkan massa molar empiris dengan massa molar percobaan yang ditentukan akan mengungkapkan hubungan antara rumus empiris dan rumus molekul.

Penyelesaian

Diketahui gram N dan O. Gunakan massa molar sebagai faktor konversi untuk mengubah gram menjadi mol dari setiap unsur. Gunakan n mewakili jumlah mol dari setiap unsur. Kita menulis

Jadi, kita mendapatkan rumus N₀,₁₀₈O₀,₂₁₇, yang memberi identitas dan rasio atom yang ada. Tetapi, rumus kimia harus ditulis dengan bilangan bulat. Cobalah untuk mengonversi seluruh nilai subskrip dengan membagi subskrip dengan subskrip yang terkecil (0,108). Setelah pembulatan, kita memperoleh NO₂ sebagai rumus empiris.

Rumus molekul mungkin sama dengan rumus empiris atau beberapa kelipatan integralnya (misalnya, dua, tiga, empat, atau lebih kali rumus empiris). Membandingkan rasio massa molar dengan massa molar rumus empiris akan menunjukkan hubungan integral antara rumus empiris dan molekul. Massa molar dari rumus empiris NO₂ adalah

massa molar empiris = 14,01 g + 2(16,00 g) = 46,01 g

Selanjutnya, kita menentukan rasio antara massa molar dan massa molar empiris

Massa molar adalah dua kali massa molar empiris. Ini berarti bahwa ada dua satuan NO₂ dalam setiap molekul senyawa, dan rumus molekulnya adalah (NO₂)₂ atau N₂O₄.

Massa molar sebenarnya dari senyawa ini adalah dua kali massa molar empiris, yaitu, 2(46,01 g) atau 92,02 g, yaitu antara 90 g dan 95 g.

Periksa

Perhatikan bahwa dalam menentukan rumus molekul dari rumus empiris, kita hanya perlu mengetahui perkiraan massa molar dari senyawa tersebut. Alasannya adalah bahwa massa molar yang sesungguhnya merupakan kelipatan integral (1x, 2x, 3x,...) dari massa molar empiris. Oleh karena itu, rasio (massa molar / massa molar empiris) akan selalu dekat dengan bilangan bulat.

Latihan

Sampel dari senyawa yang mengandung boron (B) dan hidrogen (H) mengandung 6,444 g B dan 1,803 g H. Massa molar senyawa tersebut sekitar 30 g. Tentukan rumus molekulnya?

3.5 Persen Komposisi Senyawa

Seperti yang telah diketahui, bahwa rumus senyawa memberikan informasi tentang jumlah atom dari setiap unsur yang terdapat dalam satu satuan senyawa tersebut. Namun, jika digunakan untuk tujuan eksperimen laboratorium perlu diuji terlebih dahulu kemurnian senyawa tersebut. Berdasarkan rumus kimianya dapat dihitung persen masing-masing unsur  dari total massa senyawa. Kemudian, dapat dibandingkan hasilnya dengan persen komposisi yang diperoleh secara eksperimental untuk sampel yang digunakan, sehingga dapat ditentukan kemurnian sampel.

Persen komposisi berdasarkan massa adalah persentase massa dari setiap unsur yang terkandung dalam suatu senyawa. Persen komposisi diperoleh dengan membagi massa setiap unsur dalam 1 mol senyawa dengan massa molar senyawa dan mengalikannya dengan 100 persen. Secara matematis, persen komposisi suatu unsur dalam suatu senyawa dinyatakan sebagai

dimana n adalah jumlah mol unsur dalam 1 mol senyawa. Misalnya, dalam 1 mol hidrogen peroksida (H₂O₂) ada 2 mol atom H dan 2 mol atom O. Massa molar H₂O₂, H, dan O masing-masing adalah 34,02 g, 1,008 g, dan 16,00 g. Oleh karena itu, persen komposisi senyawa H₂O₂ dihitung sebagai berikut:

Jumlah persentase adalah 5,926% + 94,06% = 99,99%. Perbedaan kecil dari 100 persen adalah karena cara pembulatan massa molar dari unsur. Jika digunakan rumus empiris HO untuk perhitungan, akan didapatkan persentase yang sama. Hal ini disebabkan karena baik rumus molekul maupun rumus empiris memberikan informasi tentang persen komposisi dari total massa senyawa.

Contoh 3.8

Asam fosfat (H₃PO₄) merupakan cairan tak berwarna, mirip seperti sirup yang digunakan untuk membuat deterjen, pupuk, dan pasta gigi. Senyawa ini pada minuman berkarbonasi memberikan rasa yang “tajam”. Hitung  persen komposisi massa dari H, P, dan O dalam senyawa tersebut.

Strategi

Ingat prosedur untuk menghitung persentase. Asumsikan bahwa kita memiliki 1 mol H₃PO₄. Persen massa setiap unsur (H, P, dan O) diberikan oleh massa molar gabungan dari atom unsur dalam 1 mol H₃PO₄ dibagi dengan massa molar H₃PO₄, kemudian dikalikan dengan 100 persen.

Penyelesaian

Massa molar H₃PO₄ adalah 97,99 g. Persen massa masing-masing unsur dalam H₃PO₄ dihitung sebagai berikut:

Periksa

Apakah persentase bertambah hingga 100 persen? Jumlah persentase adalah (3,086% + 31,61% + 65,31%) = 100,01%. Perbedaan kecil dari 100 persen adalah karena cara pembulatan.

Latihan

Hitung  persen komposisi massa masing-masing unsur dalam asam sulfat (H₂SO₄).

Prosedur yang digunakan dalam contoh dapat dibalik jika perlu. Dengan mengingat persen komposisi massa senyawa, kita dapat menentukan rumus empiris senyawa (Gambar 3.5). Karena kita berurusan dengan persentase dan jumlah dari semua persentase adalah 100 persen, akan lebih mudah untuk mengasumsikan bahwa kita mulai dengan 100 g senyawa, seperti ditunjukkan Contoh 3.9.

Contoh 3.9

Asam askorbat (vitamin C) menyembuhkan sariawan. Asam ini terdiri dari 40,92 persen karbon (C), 4,58 persen hidrogen (H), dan 54,50 persen oksigen (O) berdasarkan massa. Tentukan rumus empirisnya.

Strategi

Dalam rumus kimia, subskrip (indeks bawah) mewakili rasio jumlah mol setiap unsur yang bergabung membentuk satu mol senyawa. Bagaimana kita dapat mengonversi dari persen massa menjadi mol? Jika kita mengasumsikan sampel 100 g senyawa, apakah dapat diketahui massa setiap unsur dalam senyawa? Bagaimana mengonversi dari gram menjadi mol?

Penyelesaian

Jika kita memiliki 100 g asam askorbat, maka setiap persentase dapat dikonversi langsung ke gram. Dalam sampel ini, akan ada 40,92 g C, 4,58 g H, dan 54,50 g O. Karena subskrip dalam rumus mewakili rasio mol, kita perlu mengubah gram setiap unsur menjadi mol. Faktor konversi yang dibutuhkan adalah massa molar dari setiap unsur. Misalkan n mewakili jumlah mol setiap unsur sehingga

Jadi, didapatkan rumus C₃,₄₀₇H₄,₅₄O₃,₄₀₆, yang memberikan identitas dan rasio mol atom yang ada. Tetapi, rumus kimia harus ditulis dengan bilangan bulat. Cobalah untuk mengonversi pada seluruh nilai dengan membagi semua subskrip dengan subskrip terkecil (3,406):

dimana tanda ≈ berarti “kira-kira sama dengan”. Hasilnya adalah CH₁,₃₃O sebagai rumus untuk asam askorbat. Selanjutnya, kita perlu mengonversi subskrip 1,33 untuk H, menjadi sebuah bilangan bulat. Ini dapat dilakukan dengan prosedur coba-coba:

1,33 x 2 = 2,66

1,33 x 3 = 3,99 ≈ 4

Karena 1,33 x 3 memberikan bilangan bulat 4, kita mengalikan semua subskrip dengan 3 dan memperoleh C₃H₄O₃ sebagai rumus empiris untuk asam askorbat.

Ingat rumus empiris tidak selalu sama dengan rumus molekul! Rumus molekul untuk asam askorbat adalah C₆H₈O₆_.   

Latihan

Tentukan rumus empiris senyawa yang mempunyai persen komposisi massa sebagai berikut K = 24,75 persen, Mn = 34,77 persen, O = 40,51 persen.

Para Ahli Kimia sering kali ingin mengetahui massa sebenarnya dari salah satu unsur dalam suatu senyawa dengan massa tertentu. Misalnya, dalam industri pertambangan, informasi ini akan memberikan informasi tentang kualitas bijih. Karena persen komposisi dari massa unsur-unsur dalam senyawa dapat dengan mudah dihitung, masalah seperti itu dapat dipecahkan dengan cara yang cukup sederhana.

Contoh 3.10

Kalkopirit (CuFeS₂) adalah mineral utama tembaga. Hitung jumlah kilogram Cu dalam 3,71 x 10³ kg kalkopirit.

Strategi 

Kalkopirit (Chalcopyrite) terdiri dari Cu, Fe, dan S. Massa Cu didasarkan pada persentasenya dari massa dalam senyawa tersebut. Bagaimana cara menghitung persen massa unsur?

Penyelesaian

Massa molar Cu dan CuFeS₂ masing-masing 63,55 g dan 183,5 g. Jadi, persen massa Cu

Untuk menghitung massa Cu dalam sampel 3,71 x 10³ kg CuFeS₂, kita perlu mengubah persentase menjadi desimal (yaitu, mengkonversi 34,63 persen menjadi 34,63/100, atau 0,3463) dan menuliskan

massa Cu dalam CuFeS₂ = 0,3463 x (3,71 x 10³ kg) = 1,28 x 10³ kg Cu

Periksa

Sebagai perkiraan, perhatikan bahwa persen massa Cu kira-kira 33 persen, sehingga sepertiga dari massanya haruslah massa Cu; yaitu, (1/3) x 3,71 x 10³ kg ≈ 1,24 x 10³ kg. Jumlah ini cukup mendekati hasil perhitungannya.

Latihan

Hitung jumlah gram Al dalam 371 g Al₂O₃.

3.4 Spektrometer massa

Metode yang paling langsung dan paling akurat untuk menentukan massa atom dan molekul adalah metode spektrometri massa, yang ditunjukkan pada Gambar 3.3. Dalam satu jenis spektrometer massa, sampel gas dibombardir oleh aliran elektron berenergi tinggi. Tabrakan dan tumbukan antara elektron dan atom gas (atau molekul) menghasilkan ion positif dengan melepaskan elektron dari setiap atom atau molekul. Ion positif ini (massa m dan muatan e) dipercepat oleh dua pelat bermuatan listrik berlawanan saat melewati pelat. Ion-ion yang muncul kemudian dibelokan oleh sebuah magnet sehingga bergerak melengkung. Jari-jari lintasannya tergantung pada rasio muatan listrik dan massa (yaitu, e/m). Ion-ion dengan rasio e/m yang lebih kecil mempunyai lintasan seperti kurva dengan jari-jari yang lebih besar daripada ion-ion yang memiliki rasio e/m yang lebih besar, sehingga ion-ion dengan muatan listrik yang sama tetapi memiliki massa yang berbeda dipisahkan satu sama lain. Massa dari setiap ion (dan karenanya atom atau molekul induk) ditentukan dari besarnya defleksinya atau sejauh mana ion tersebut dibelokkan. Akhirnya ion-ion tersebut sampai pada detektor, yang mencatat arus listrik untuk setiap jenis ion. Jumlah arus yang dihasilkan berbanding lurus dengan jumlah ion, sehingga memungkinkan kita untuk menentukan kelimpahan relatif dari isotop-isotopnya.

Gambar 3.3 Skema diagram dari satu jenis spektrometer

Spektrometer massa pertama yang dikembangkan pada tahun 1920 oleh fisikawan Inggris F. W. Aston, terlalu sederhana menurut standar saat ini. Namun demikian, spektrometer itu memberikan bukti tak terbantahkan tentang keberadaan isotop neon-20 (massa atom 19,9924 sma dan kelimpahan alami 90,92 persen) dan neon-22 (massa atom 21,9914 sma dan kelimpahan alami 8,82 persen). Ketika spektrometer massa yang lebih canggih dan sensitif telah tersedia, para ilmuwan dikejutkan dengan temuan bahwa neon memiliki isotop stabil ketiga dengan massa atom 20,9940 sma dan kelimpahan alami 0,257 persen (Gambar 3.4). Contoh ini mengilustrasikan bagaimana keakuratan eksperimental yang sangat penting bagi ilmu kuantitatif seperti kimia. Percobaan awal gagal mendeteksi neon-21 karena kelimpahan alaminya hanya 0,257 persen. Dengan kata lain, hanya 26 dari 10.000 atom Ne adalah neon-21. Massa molekul dapat ditentukan dengan cara yang sama dengan spektrometer massa.

Gambar 3.4 Spektrum massa dari ketiga isotop neon

3.3 Massa Molekul

Jika kita mengetahui massa atom dari atom-atom penyusun suatu molekul, maka kita dapat menghitung massa molekul tersebut. Massa molekul (kadang-kadang disebut berat molekul) adalah jumlah dari massa atom (dalam sma) dalam suatu molekul. Sebagai contoh, massa molekul H₂O adalah

2 (massa atom H) + massa atom O

2 (1,008 sma) + 16,00 sma = 18,02 sma

Secara umum, kita perlu mengalikan massa atom setiap unsur dengan jumlah atom dari unsur tersebut yang ada dalam molekul dan kemudian menjumlahkan seluruh massa seluruh unsur. Contoh 3.5 mengilustrasikan pendekatan ini.

Contoh 3.5

Hitung massa molekul (dalam sma) dari senyawa berikut: (a) belerang dioksida (SO₂) dan (b) kafein (C₈H₁₀N₄O₂).

Strategi

Bagaimana massa atom dari unsur-unsur yang berbeda bergabung memberikan massa molekul suatu senyawa?

Penyelesaian

Untuk menghitung massa molekul, kita perlu menjumlahkan semua massa atom dalam molekul. Untuk setiap unsur, kita mengalikan massa atom unsur dengan jumlah atom dari unsur tersebut yang ada dalam molekul. Kita menemukan massa atom dalam tabel periodik (lihat tabel).

(a) ada satu atom S dan dua atom O dalam belerang dioksida, jadi

massa molekul dari SO₂ = 32,07 sma + 2(16,00 sma) = 64,07 sma

(b) ada delapan atom C, sepuluh atom H, empat atom N, dan dua atom O dalam kafein, jadi massa molekul dari  

C₈H₁₀N₄O₂ = 8(12,01 sma) + 10(1,008 sma) + 4(14,01 sma) +22(16,00 sma)
                     = 194,20 sma

Latihan

Berapa massa molekul metanol (CH₄O)?

Berdasarkan massa molekul kita dapat menentukan massa molar dari suatu molekul atau senyawa. Massa molar suatu senyawa (dalam gram) secara numerik sama dengan massa molekulnya (dalam sma). Sebagai contoh, massa molekul air adalah 18,02 sma, jadi massa molarnya adalah 18,02 g. Perhatikan bahwa 1 mol air beratnya 18,02 g dan mengandung 6,0221367 x 10²³ molekul H₂O, sama seperti 1 mol unsur karbon mengandung 6,0221367 x 10²³ atom karbon.

Seperti yang ditunjukkan pada contoh 3.6 dan 3.7, pengetahuan tentang massa molar memungkinkan kita untuk menghitung jumlah mol dan jumlah atom dalam sejumlah tertentu dari suatu senyawa.

Contoh 3.6

Metana (CH₄) adalah komponen utama gas alam. Berapa jumlah mol CH₄ yang ada dalam 6,07 g CH₄?

Strategi

Diketahui gram CH₄ dan ditanyakan mol CH₄. Faktor konversi apa yang kita perlukan untuk mengonversi antara gram dan mol? Atur faktor konversi yang sesuai sehingga gram dihilangkan dan satuan mol diperoleh untuk jawaban yang diminta.

Penyelesaian

Faktor konversi yang diperlukan untuk mengonversi antara gram dan mol adalah massa molar. Pertama kita perlu menghitung massa molar CH₄, mengikuti prosedur dalam Contoh 3.5:

massa molar CH₄ = 12,01 g + 4(1,008 g) = 16,04 g

karena 1 mol CH₄ = 16,04 g CH₄

faktor konversi yang digunakan harus memiliki gram dalam penyebutnya sehingga satuan gram akan dihilangkan, menyisakan satuan mol dalam pembilang:

kita menuliskan

Jadi, terdapat 0,378 mol CH₄ dalam 6,07 g CH₄

Periksa

Haruskah 6,07 g CH₄ kurang dari 1 mol CH₄? Berapa massa 1 mol CH₄?

Latihan

Hitung jumlah mol kloroform (CHCl₃) dalam 198 g kloroform.

Contoh 3.7

Berapa banyak atom hidrogen yang ada dalam 25,6 g urea [(NH₂)₂CO], yang digunakan sebagai pupuk, dalam pakan ternak, dan dalam pembuatan polimer? Massa molar urea adalah 60,06 g.

Strategi

Diminta untuk menghitung jumlah atom hidrogen dalam 25,6 g urea. Kita tidak dapat mengkonversi langsung dari gram urea ke atom hidrogen. Bagaimana seharusnya massa molar dan bilangan Avogadro digunakan dalam perhitungan ini? Berapa mol H dalam 1 mol urea?

Penyelesaian

Untuk menghitung jumlah atom H, pertama kita harus mengubah gram urea menjadi mol urea menggunakan massa molar urea. Bagian ini mirip dengan Contoh 3.2. Rumus molekul urea menunjukkan ada empat mol atom H dalam satu mol molekul urea, sehingga rasio mol adalah 4:1. Akhirnya, diketahui jumlah mol atom H, kita dapat menghitung jumlah atom H menggunakan bilangan Avogadro. Kita membutuhkan dua faktor konversi: massa molar dan bilangan Avogadro. Kita dapat menggabungkan konversi ini

gram urea → mol urea → mol H → atom H

dalam satu langkah jumlah atom hidrogen dalam 25,6 g urea

Periksa

Apakah jawabannya terlihat masuk akal? Berapa banyak atom H yang mengandung 60,06 g urea?

Latihan

Berapa banyak atom H dalam 72,5 g isopropanol (C₃H₈O)?

Akhirnya, perhatikan bahwa untuk senyawa ionik seperti NaCl dan MgO yang tidak mengandung satuan molekul diskrit, kita menggunakan istilah massa rumus sebagai gantinya. Satuan rumus NaCl terdiri dari satu ion Na⁺ dan satu ion Cl⁻. Dengan demikian, massa rumus NaCl adalah massa satu satuan rumus:

massa rumus NaCl = 22,99 sma + 35,45 sma = 58,44 sma

dan massa molar NaCl adalah 58,44 g.

3.2 Massa Molar Unsur dan Bilangan Avogadro

Satuan massa atom menyediakan skala massa atom relatif untuk  berbagai unsur. Tetapi karena atom memiliki massa yang sangat kecil, sehingga tidak ada skala yang dapat digunakan untuk menimbang atom dalam satuan massa atom yang dikalibrasi. Dalam situasi sebenarnya, kita berurusan dengan sampel makroskopik yang mengandung sejumlah besar atom. Oleh karena itu, akan lebih mudah apabila kita memiliki satuan khusus untuk menggambarkan sejumlah besar atom. Gagasan satuan untuk menunjukkan sejumlah zat tertentu bukanlah hal baru. Misalnya, sepasang (2 buah), selusin (12 buah), dan gros (144 buah) semuanya adalah satuan yang umum. Para ahli kimia sepakat mengukur jumlah atom dan molekul dalam satuan mol.

Dalam sistem SI, mol adalah jumlah zat yang mengandung banyaknya entitas dasar (atom, molekul, atau partikel lain) sebanyak jumlah atom yang terdapat dalam tepat 12 g (atau 0,012 kg) dari isotop karbon-12. Jumlah aktual atom dalam 12 g karbon-12 ditentukan secara eksperimental. Bilangan ini disebut bilangan Avogadro (N_A), untuk menghormati ilmuwan Italia Amedeo Avogadro. Nilai yang diterima saat ini adalah:

N_A = 6,0221367 x 10²³

Secara umum, kita membulatkan bilangan Avogadro menjadi 6,022 x 10²³. Jadi, sama seperti satu lusin jeruk mengandung 12 jeruk, 1 mol atom hidrogen (H) mengandung 6,022 x 10²³ atom H. Gambar 3.1 menunjukkan sampel yang mengandung 1 mol masing-masing dari beberapa unsur yang sering dijumpai.

Gambar 3.1 Satu mol masing-masing dari beberapa unsur umum. Karbon (serbuk arang hitam), belerang (bubuk kuning), besi (bentuk paku), kawat tembaga, dan merkuri (logam cair mengkilap).

Besarnya bilangan Avogadro sulit dibayangkan. Misalnya, Jika kita menyebarkan 6,022 x 10²³ buah jeruk di seluruh permukaan Bumi maka akan dihasilkan lapisan setinggi 14,48 km (9 mil) sampai ke angkasa! Karena atom (dan molekul) sangat kecil, kita membutuhkan sejumlah besar atom untuk mempelajarinya dalam jumlah yang dapat diukur dan diamati.

Kita telah mengetahui bahwa 1 mol atom karbon-12 memiliki massa tepat 12 g dan mengandung 6,022 x 10²³ atom. Massa karbon-12 ini adalah massa molar (M), didefinisikan sebagai massa (dalam gram atau kilogram) dari 1 mol entitas (seperti atom atau molekul) dari suatu zat. Perhatikan bahwa massa molar karbon-12 (dalam gram) secara numerik sama dengan massa atomnya dalam sma. Demikian juga, massa atom natrium (Na) adalah 22,99 sma dan massa molarnya adalah 22,99 g; massa atom fosfor adalah 30,97 sma dan massa molarnya adalah 30,97 g; dan seterusnya. Jika kita mengetahui massa atom suatu unsur, maka kita juga mengetahui massa molarnya.

Jika diketahui massa molar dan bilangan Avogadro, maka kita dapat menghitung massa satu atom dalam gram. Sebagai contoh, kita tahu massa molar karbon-12 adalah 12,00 g dan terdapat 6,022 x 10²³ atom karbon-12 dalam 1 mol zat; oleh karena itu, massa satu atom karbon-12 dapat dihitung dengan persamaan:

Kita dapat menggunakan hasil ini untuk menentukan hubungan antara satuan massa atom dan gram. Karena massa setiap atom karbon-12 adalah tepat 12 sma, jumlah satuan massa atom yang setara dengan 1 gram adalah

                         = 6,022 x 10²³ sma/g

Jadi,

1 gram karbon-12 = 6,022 x 10²³ sma karbon-12

dan

1 sma karbon-12 = 1,661 x 10⁻²⁴ g karbon-12

Contoh ini menunjukkan bahwa bilangan Avogadro dapat digunakan untuk mengonversi dari satuan massa atom ke massa dalam gram dan sebaliknya.

Pengertian bilangan Avogadro dan massa molar  memungkinkan kita untuk melakukan konversi antara massa atom dan mol dan antara mol dan jumlah atom (Gambar 3.2). Kita akan menggunakan faktor konversi berikut dalam perhitungan:

di mana X mewakili simbol suatu unsur. Dengan menggunakan faktor konversi yang tepat, kita dapat mengonversi suatu kuantitas ke kuantitas lainnya, seperti Contoh 3.2–3.4.

Gambar 3.2 Hubungan antara massa (m dalam gram) dari suatu unsur dengan jumlah mol suatu unsur (n) dan antara jumlah mol suatu unsur dengan jumlah atom (N) dari suatu unsur. M adalah massa molar (g/mol) dari unsur dan N_A adalah bilangan Avogadro.

Contoh 3.2

Helium (He) adalah gas mulia yang digunakan dalam industri, penelitian suhu rendah, tangki penyelaman laut dalam dan balon udara. Berapa jumlah mol atom He dalam 6,46 g He?

Strategi

Diketahui gram helium dan ditanyakan mol helium. Faktor konversi apa yang kita perlukan untuk mengkonversi antara gram dan mol? Atur faktor konversi yang sesuai sehingga satuan gram dihilangkan dan mol satuan yang diperoleh untuk jawaban yang diminta.

Penyelesaian

Faktor konversi yang diperlukan untuk mengonversi antara gram dan mol adalah massa molar. Dalam tabel periodik (lihat tabel) diketahui bahwa massa molar He adalah 4,003 g. Ini bisa dinyatakan sebagai berikut

1 mol He = 4,003 g He

Berdasarkan persamaan ini, kita dapat menuliskan dua faktor konversi

Faktor konversi di sebelah kiri adalah yang benar. Gram akan dihilangkan, menyisakan satuan mol untuk jawaban yang diminta, yaitu,

Jadi, dalam 6,46 g He terdapat 1,61 mol He.

Periksa

Karena massa yang diketahui (6,46 g) lebih besar dari massa molar He, maka harus diperoleh jumlah He lebih dari 1 mol.

Latihan

Berapa banyak mol magnesium (Mg) yang ada dalam 87,3 g Mg?

Contoh 3.3

Seng (Zn) adalah logam berwarna perak yang digunakan untuk membuat kuningan (bersama tembaga) dan melapisi besi untuk mencegah korosi. Berapa gram massa Zn dalam 0,356 mol Zn?

Strategi

Ditanyakan jumlah gram seng. Faktor konversi apa yang perlu kita ubah antara mol dan gram? Atur faktor konversi yang sesuai agar satuan mol dihilangkan dan satuan gram diperoleh untuk jawaban yang diminta.

Penyelesaian

Faktor konversi yang diperlukan untuk mengkonversi antara mol dan gram adalah massa molar. Dalam tabel periodik (lihat tabel) diketahui massa molar dari Zn adalah 65,39 g. Ini bisa dinyatakan sebagai

1 mol Zn = 65,39 g Zn

Berdasarkan persamaan ini, kita dapat menuliskan dua faktor konversi

Faktor konversi di sebelah kanan adalah yang benar. Mol akan dihilangkan, menyisakan satuan gram untuk jawaban yang diminta, yaitu,

Jadi, dalam 0,356 mol Zn terdapat 23,3 g Zn.

Periksa

Apakah massa 23,3 g untuk 0,356 mol Zn tampaknya masuk akal? Berapa massa 1 mol Zn?

Latihan

Hitung jumlah gram timbal (Pb) dalam 12,4 mol timbal.

Contoh 3.4

Belerang (S) adalah unsur non logam. Adanya sulfur dalam batubara mengakibatkan fenomena terjadinya hujan asam. Berapakah jumlah atom yang ada di dalam 16,3 g S?

Strategi

Pertanyaannya meminta jumlah atom sulfur. Kita tidak dapat mengkonversi langsung dari gram ke jumlah atom sulfur. Satuan apa yang kita perlukan untuk mengubah gram belerang menjadi jumlah atom? Apa yang ditunjukkan oleh bilangan Avogadro?

Penyelesaian

Kita membutuhkan dua faktor konversi: pertama dari gram ke mol dan kemudian dari mol ke jumlah partikel (atom). Langkah pertama mirip dengan Contoh 3.2. Karena

1 mol S = 32,07 g S

Bilangan Avogadro adalah kunci untuk langkah kedua. Kita memiliki

1 mol = 6,022 x 10²³ partikel (atom)

faktor konversinya adalah

Faktor konversi di sebelah kiri adalah yang kita gunakan karena memiliki jumlah atom S dalam pembilang. Kita dapat memecahkan masalah dengan menghitung jumlah mol dahulu yang terkandung dalam 16,3 g S, dan kemudian menghitung jumlah atom S dari jumlah mol S:

gram S  →  mol S  →  Jumlah atom S 

Kita dapat menggabungkan konversi ini dalam satu langkah sebagai berikut:

Jadi, dalam 16,3 g S terdapat 3,06 x 10²³ atom S

Periksa

Haruskah 16,3 g S mengandung atom lebih sedikit dari bilangan Avogadro? Berapa massa gram S yang mengandung atom sebanyak bilangan Avogadro?

Latihan

Hitung jumlah atom dalam 0,551 g kalium (K).

3.1 Massa Atom

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.