4.2 Reaksi Pengendapan

Salah satu jenis reaksi yang umum terjadi pada larutan dalam air (zat yang dilarutkan dalam air) adalah reaksi presipitasi atau reaksi pengendapan, yang menghasilkan pembentukan produk yang tidak larut, atau endapan. Endapan adalah padatan tidak larut yang tidak bercampur dengan larutan. Reaksi presipitasi biasanya melibatkan senyawa ionik. Sebagai contoh, ketika larutan encer timbal (II) nitrat [Pb(NO₃)₂] ditambahkan ke dalam larutan kalium iodida (KI), terbentuk endapan timbal (II) iodida (PbI₂) berwarna kuning:

Pb(NO₃)₂(aq) + 2KI(aq) → PbI₂(s) + 2KNO₃(aq)

Kalium nitrat tetap di dalam larutan. Gambar 4.3 menunjukkan reaksi ini sedang berlangsung.

Reaksi di atas adalah contoh dari reaksi metatesis (juga disebut reaksi perpindahan ganda atau substitusi), reaksi yang melibatkan pertukaran komponen antara dua senyawa. (Dalam hal ini, kation dalam kedua senyawa saling berganti anion, sehingga Pb²⁺ berakhir dengan I⁻ sebagai PbI₂ dan K⁺ berakhir dengan NO₃⁻ sebagai KNO₃.) Seperti yang akan kita pelajari, reaksi presipitasi yang dibahas dalam bab ini adalah contoh reaksi metatesis.

Gambar 4.3 Pembentukan endapan PbI₂ kuning ketika larutan Pb(NO₃)₂ ditambahkan ke dalam larutan KI.

Kelarutan

Bagaimana kita dapat memprediksi apakah endapan akan terbentuk ketika suatu senyawa ditambahkan ke dalam larutan atau ketika dua larutan dicampur? Hal itu tergantung pada kelarutan zat terlarut, yang didefinisikan sebagai jumlah maksimum zat terlarut yang akan larut dalam jumlah tertentu pelarut pada suhu tertentu. Ahli kimia menyebutnya sebagai dapat larut, sedikit larut, atau tidak dapat larut dalam pengertian kualitatif. Suatu zat dikatakan dapat larut jika sejumlah besar zat larut ketika ditambahkan air. Jika tidak, zat tersebut dideskripsikan sebagai sedikit larut atau tidak dapat larut. Semua senyawa ionik adalah elektrolit yang kuat, tetapi tidak semuanya larut dalam air.

Tabel 4.2 mengelompokkan sejumlah senyawa ionik yang umum sebagai senyawa larut atau senyawa tidak larut. Perlu diingat, bahwa bahkan senyawa yang tidak larut pun larut sampai batas tertentu. Gambar 4.4 menunjukkan beberapa endapan.

Tabel 4.2 Aturan Kelarutan untuk Senyawa Ionik Umum dalam Air pada 25°C

Gambar 4.4. Penampilan beberapa endapan. Dari kiri ke kanan: CdS, PbS, Ni(OH)₂, dan Al(OH)₃.

Contoh 4.1 menerapkan aturan kelarutan dalam Tabel 4.2.

Contoh 4.1

Kelompokkan senyawa ionik berikut sebagai dapat larut atau tidak dapat larut: (a) perak sulfat (Ag₂SO₄), (b) kalsium karbonat (CaCO₃), (c) natrium fosfat (Na₃PO₄).

Strategi

Meskipun tidak perlu menghafal kelarutan senyawa, kita harus tetap mengingat aturan yang berguna berikut: semua senyawa ionik yang mengandung kation logam alkali; ion amonium; dan ion nitrat, bikarbonat, dan klorat adalah zat dapat larut. Untuk senyawa yang lain, kita perlu merujuk pada Tabel 4.2.

Penyelesaian 

(a) Menurut Tabel 4.2, Ag₂SO₄ tidak dapat larut. (b) Ini adalah karbonat dan Ca adalah logam Golongan 2A. Oleh karena itu, CaCO₃ tidak dapat larut. (c) Natrium adalah logam alkali (Golongan 1A) jadi Na₃PO₄ larut.

Latihan

Kelompokkan senyawa ionik berikut sebagai dapat larut atau tidak dapat larut: (a) CuS, (b) Ca(OH)₂, (c) Zn(NO₃)₂.

Persamaan Molekul, Persamaan Ion, dan Persamaan Ion Bersih

Persamaan yang menggambarkan presipitasi timbal (II) iodida pada persamaan diatas disebut persamaan molekul karena rumus-rumus senyawa ditulis seolah-olah semua spesi ada sebagai molekul atau satuan utuh. Persamaan molekul berguna karena mengidentifikasi reagen [yaitu, timbal (II) nitrat dan kalium iodida]. Jika kita ingin membawa reaksi ini di laboratorium, kita akan menggunakan persamaan molekul. Namun, persamaan molekul tidak menjelaskan secara rinci apa yang sebenarnya terjadi dalam larutan.

Seperti yang ditunjukkan sebelumnya, ketika senyawa ionik larut dalam air, molekul dipecah menjadi kation dan anion komponennya. Agar lebih realistis, persamaan harus menunjukkan disosiasi senyawa ion terlarut menjadi anion dan kation. Oleh karena itu, kembali ke reaksi antara kalium iodida dan timbal  II) nitrat, kita menulis

Pb²⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq) + 2K⁺(aq) + 2I⁻(aq) → PbI₂(s) + 2K⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq)

Persamaan ini adalah contoh persamaan ionik, yang menunjukkan spesi terlarut sebagai ion bebas. Untuk melihat apakah endapan terbentuk dari larutan ini, pertama-tama kita menggabungkan kation dan anion dari senyawa yang berbeda; yaitu, PbI₂ dan KNO₃. Mengacu pada Tabel 4.2, kita melihat bahwa PbI₂ adalah senyawa tidak dapat larut dan KNO₃ dapat larut. Oleh karena itu, KNO₃ terlarut tetap dalam larutan sebagai ion K⁺ dan NO₃⁻ yang terhidrasi, yang disebut ion penonton, atau ion yang tidak terlibat dalam reaksi keseluruhan. Karena ion penonton muncul di kedua sisi persamaan, ion-ion ini dapat dihilangkan dari persamaan ionik

Pb²⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq) + 2K⁺(aq) + 2I⁻(aq) → PbI₂(s) + 2K⁺(aq) + 2NO₃⁻(aq)

Akhirnya, kita mendapatkan persamaan ion bersih, yang hanya menunjukkan spesi yang benar-benar terlibat dalam reaksi pengendapan:

Pb²⁺(aq) +  2I⁻(aq) → PbI₂(s)

Melihat contoh lain, kita menemukan bahwa ketika larutan barium klorida (BaCl₂) ditambahkan ke dalam larutan natrium sulfat (Na₂SO₄), terbentuk endapan putih (Gambar 4.5). Memperlakukan ini sebagai reaksi metatesis, produknya adalah BaSO₄ dan NaCl. Dari Tabel 4.2 kita melihat bahwa hanya BaSO₄ yang tidak larut. Oleh karena itu, kita menulis persamaan molekul sebagai berikut

BaCl₂(aq) + Na₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + 2NaCl(aq)

Persamaan ion untuk reaksi adalah

Ba²⁺(aq) + 2Cl⁻(aq) + 2Na⁺(aq) + SO₄²⁻ (aq) → BaSO₄(s) + 2Na⁺(aq) + 2Cl⁻(aq)

Menghilangkan ion penonton (Na⁺ dan Cl⁻) di kedua sisi persamaan memberi kita persamaan ion bersih

Ba²⁺(aq) + SO₄²⁻ (aq) → BaSO₄(s)

Gambar 4.5 Pembentukan endapan BaSO₄.

Empat langkah berikut merangkum prosedur untuk menulis persamaan ion dan persamaan ion bersih:

1. Tulis persamaan molekul yang setara untuk reaksi, menggunakan rumus yang benar untuk senyawa reaktan dan produk ionik. Lihat Tabel 4.2 untuk memutuskan produk mana yang tidak larut dan karena itu akan muncul sebagai endapan.
2. Tulis persamaan ion untuk reaksi. Senyawa yang tidak muncul sebagai endapan harus ditampilkan sebagai ion bebas.
3. Identifikasi dan hilangkan ion penonton di kedua sisi persamaan. Tuliskan persamaan ion bersih untuk reaksi.
4. Periksa apakah muatan dan jumlah atom setara dalam persamaan ion bersih. 

Langkah-langkah ini diterapkan dalam Contoh 4.2.

Contoh 4.2

Prediksikan apakah yang terjadi ketika larutan kalium fosfat (K₃PO₄) dicampur dengan larutan kalsium nitrat [Ca(NO₃)₂]. Tuliskan persamaan ion bersih untuk reaksi ini!

Strategi

Dari informasi yang diberikan, pertama-tama berguna untuk menulis persamaan tidak setara

K₃PO₄(aq) + Ca(NO₃)₂(aq) → ?

Apa yang terjadi ketika senyawa ionik larut dalam air? Ion apa yang terbentuk dari pemisahan K₃PO₄ dan Ca(NO₃)₂? Apa yang terjadi ketika kation bertemu anion dalam larutan?

Penyelesaian 

Dalam larutan, K₃PO₄ terdisosiasi menjadi ion K⁺ dan PO₄³⁻ dan Ca(NO₃)₂ terdisosiasi menjadi ion Ca²⁺ dan NO₃⁻. Menurut Tabel 4.2, ion kalsium (Ca²⁺) dan ion fosfat (PO₄³⁻) akan membentuk senyawa yang tidak dapat larut, kalsium fosfat [Ca₃(PO₄)₂], sedangkan produk lainnya, KNO₃ dapat larut dan tetap dalam larutan sebagai ion. Karena itu, ini adalah reaksi presipitasi. Kita mengikuti prosedur bertahap yang baru saja dijelaskan.

Langkah 1: Persamaan molekul setara untuk reaksi ini adalah

2K₃PO₄(aq) + 3Ca(NO₃)₂(aq) → Ca₃(PO₄)₂(s) + 6KNO₃(aq)

Langkah 2: Untuk menulis persamaan ion, senyawa yang larut ditampilkan sebagai ion terdisosiasi:

6K⁺(aq) + 2PO₄³⁻ (aq) + 3Ca²⁺(aq) + 6NO₃⁻(aq) → 6K⁺(aq) + 6NO₃⁻(aq) + Ca₃(PO₄)₂(s)

Langkah 3: Menghilangkan ion penonton (K⁺ dan NO₃⁻) di setiap sisi persamaan, kita mendapatkan persamaan ion bersih:

3Ca²⁺(aq) + 2PO₄³⁻ (aq) → Ca₃(PO₄)₂(s)

Langkah 4: Perhatikan bahwa karena kita pertama-tama menyetarakan persamaan molekul, persamaan ion bersih disetarakan dengan jumlah atom di setiap sisi dan jumlah muatan positif (+6) dan negatif (-6) di sisi kiri adalah sama.

Latihan

Prediksikan apakah endapan akan dihasilkan dengan mencampurkan larutan Al(NO₃)₃ dengan larutan NaOH. Tuliskan persamaan ion bersih untuk reaksi ini!

Ulasan Konsep

Manakah dari gambar berikut yang secara akurat menggambarkan reaksi antara Ca(NO₃)₂(aq) dan Na₂CO₃(aq)? Untuk penyederhanaan, hanya ion Ca²⁺(kuning) dan CO₃²⁻ (biru) yang ditampilkan.

4.1 Sifat Umum Larutan (aq)

Suatu larutan adalah campuran dua atau lebih zat yang homogen. Zat terlarut adalah zat yang ada dalam jumlah yang lebih kecil, dan pelarut adalah zat yang ada dalam jumlah yang lebih besar. Suatu larutan dapat berupa gas (seperti udara), padat (seperti paduan logam), atau cairan (misalnya air laut). Pada bagian ini kita hanya akan membahas zat yang dilarutkan dalam air yang kita sebut larutan dalam air atau aqueous (aq), di mana zat terlarut awalnya berupa cairan atau padatan dan pelarutnya adalah air.

Sifat Elektrolit

Semua zat terlarut yang larut dalam air dapat menjadi salah satu dari dua kategori berikut: larutan elektrolit dan larutan nonelektrolit. Elektrolit adalah zat yang, jika larut dalam air, menghasilkan larutan yang dapat menghantarkan listrik. Nonelektrolit adalah zat yang terlarut dalam air tidak dapat menghantarkan listrik. Gambar 4.1 menunjukkan metode yang mudah dan langsung untuk membedakan antara elektrolit dan nonelektrolit. Sepasang elektroda inert (tembaga atau platinum) direndam dalam gelas berisi air. Untuk menyalakan bola lampu, arus listrik harus mengalir dari satu elektroda ke elektroda lainnya, sehingga melengkapi sirkuit. Air murni adalah penghantar listrik yang sangat buruk. Namun, jika kita menambahkan sedikit natrium klorida (NaCl), bola lampu akan bercahaya begitu garam larut dalam air. NaCl padat, merupakan senyawa ionik, terurai menjadi ion Na⁺ dan Cl⁻ ketika larut dalam air. Ion Na⁺ ditarik ke elektroda negatif (anoda), dan ion Cl⁻ ke elektroda positif (katoda). Gerakan ini mengatur arus listrik yang setara dengan aliran elektron di sepanjang kawat logam. Karena larutan NaCl menghantarkan listrik, kita mengatakan bahwa NaCl adalah elektrolit. Air murni mengandung sangat sedikit ion, sehingga tidak dapat menghantarkan listrik.

Dengan membandingkan kecerahan bola lampu untuk jumlah molar zat terlarut yang sama membantu kita membedakan antara elektrolit kuat dan elektrolit lemah. Sifat elektrolit kuat adalah bahwa zat terlarut diasumsikan 100 persen terdisosiasi menjadi ion dalam larutan. (Dengan disosiasi yang dimaksudkan adalah memecah senyawa menjadi kation dan anion.) Dengan demikian, kita dapat merepresentasikan natrium klorida yang larut dalam air sebagai

Persamaan ini menunjukkan bahwa semua natrium klorida yang dilarutkan ke dalam air berakhir sebagai ion Na⁺ dan ion Cl⁻; tidak ada satuan NaCl yang tidak terdisosiasi dalam larutan.

Ketika elektroda ditempatkan dalam larutan elektrolit dan tegangan listrik diberikan, elektrolit akan menghantarkan arus listrik. Elektron tunggal biasanya tidak dapat melewati elektrolit; sebaliknya, reaksi kimia terjadi pada katoda yang mengonsumsi elektron dari anoda. Reaksi lain terjadi di anoda, menghasilkan elektron yang akhirnya ditransfer ke katoda. Akibatnya, awan muatan negatif berkembang dalam elektrolit di sekitar katoda, dan muatan positif berkembang di sekitar anoda. Ion-ion dalam elektrolit menetralkan muatan ini, memungkinkan elektron untuk terus mengalir dan reaksi berlanjut.

Gambar 4.1. Pengaturan untuk membedakan antara larutan elektrolit dan larutan nonelektrolit. Kemampuan larutan untuk menghantarkan listrik tergantung pada jumlah ion yang dikandungnya. (a) Larutan nonelektrolit tidak mengandung ion, dan bola lampu tidak menyala. (b) Larutan elektrolit lemah mengandung sejumlah kecil ion, dan bola lampu menyala redup. (c) Suatu larutan elektrolit yang kuat mengandung sejumlah besar ion, dan bola lampu menyala terang. Jumlah molar zat terlarut adalah sama dalam ketiga larutan.

Tabel 4.1 Kelompok Zat Terlarut Yang Larut Dalam Air

*H₂SO₄ memiliki dua ion H⁺ terionisasi.
Air murni adalah elektrolit yang sangat lemah.

Tabel 4.1 mencantumkan contoh zat terlarut yang dikelompokkan menjadi elektrolit kuat, elektrolit lemah, dan nonelektrolit. Senyawa ionik, seperti natrium klorida, kalium iodida (KI), dan kalsium nitrat [Ca(NO₃)₂], adalah elektrolit yang kuat. Sangat menarik untuk dicatat bahwa cairan tubuh manusia mengandung banyak elektrolit yang kuat dan lemah.

Air adalah pelarut yang sangat efektif untuk senyawa ionik. Walaupun air adalah molekul yang netral secara listrik, air memiliki daerah positif (atom H) dan daerah negatif (atom O), atau "kutub" positif dan "kutub" negatif; karena alasan inilah air merupakan pelarut polar. Ketika senyawa ionik seperti natrium klorida larut dalam air, jaringan tiga dimensi ion dalam padatan kristal ionik dipecah (terdisosiasi). Ion Na⁺ dan Cl⁻ dipisahkan antara satu sama lain dan mengalami hidrasi, yaitu proses di mana ion dikelilingi oleh molekul air yang tersusun dengan cara tertentu. Setiap ion Na⁺ dikelilingi oleh sejumlah molekul air yang mengarahkan kutub negatifnya ke arah kation. Demikian pula, setiap ion Cl⁻ dikelilingi oleh molekul air dengan kutub positif yang berorientasi pada anion (Gambar 4.2). Hidrasi membantu menstabilkan ion dalam larutan dan mencegah kation bergabung dengan anion.

Gambar 4.2 Hidrasi ion Na⁺ dan Cl⁻

Asam dan basa juga merupakan elektrolit. Beberapa asam, termasuk asam klorida (HCl) dan asam nitrat (HNO₃), adalah elektrolit yang kuat. Asam-asam ini diasumsikan terionisasi seluruhnya dalam air; misalnya, ketika gas hidrogen klorida larut dalam air, gas ini membentuk ion H⁺ dan Cl⁻ yang terhidrasi:

CH₃COOH

Dengan kata lain, semua molekul HCl terlarut dalam air terionisasi menjadi ion H⁺ terhidrasi dan Cl⁻ terhidrasi. Jadi, jika kita menulis HCl (aq), dapat dipahami bahwa dalam larutan hanya ada ion H⁺ (aq) terhidrasi dan Cl⁻ (aq) terhidrasi tetapi tidak ada molekul HCl yang tetap eksis dalam larutan. Di sisi lain, asam-asam tertentu, seperti asam asetat (CH₃COOH), yang memberikan rasa asam pada cuka, tidak terionisasi seluruhnya dan merupakan elektrolit yang lemah. Kita mereprsentasikan ionisasi asam asetat sebagai

di mana CH₃COO⁻ disebut ion asetat. Kita menggunakan istilah ionisasi untuk menggambarkan pemisahan asam dan basa menjadi ion. Dengan menulis rumus asam asetat sebagai CH₃COOH, kita menunjukkan bahwa proton yang dapat terionisasi ada dalam gugus -COOH.

Ionisasi asam asetat ditulis dengan panah ganda untuk menunjukkan bahwa reaksi itu adalah reaksi reversibel; yaitu, reaksi yang dapat terjadi bolak-balik. Awalnya, sejumlah molekul CH₃COOH pecah menjadi ion CH₃COO⁻ dan H⁺. Seiring berjalannya waktu, sebagian ion CH₃COO⁻ dan H⁺ bergabung kembali membentuk molekul CH₃COOH. Akhirnya, suatu keadaan tercapai di mana molekul asam terionisasi secepat ion bergabung kembali. Keadaan kimiawi seperti itu, di mana tidak ada perubahan bersih dapat diamati (meskipun aktivitasnya kontinu pada tingkat molekul), disebut kesetimbangan kimia. Asam asetat adalah elektrolit yang lemah karena ionisasi dalam air tidak sempurna. Sebaliknya, dalam larutan asam klorida ion H⁺ dan Cl⁻ tidak memiliki kecenderungan untuk bergabung kembali dan membentuk molekul HCl. Kita menggunakan panah tunggal untuk merepresentasi ionisasi sempurna.

Ulasan Konsep

Gambar berikut ini menunjukkan tiga senyawa AB₂ (a), AC₂ (b), dan AD₂ (c) yang dilarutkan dalam air. Mana yang merupakan elektrolit terkuat dan mana yang terlemah? (Untuk penyederhanaan, molekul air tidak diperlihatkan.)

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.