STOIKIOMETRI: rumus kimia, Rumus Empiris dan Rumus Molekul, persamaan reaksi, Hipotesis Avogadro

Rumus Kimia
                 Seperti yang telah disinggung rumus kimia merupakan salah satu ciri khas senyawa kimia. Rumus kimia suatu senyawa menyatakan lambang dan jumlah atom unsur yang menyusun suatu senyawa tanpa menyebut senyawa tersebut termasuk senyawa ionik atau kovalen. Rumus kimia sendiri terbagi menjadi rumus empiris dan rumus molekul.
                   Rumus molekul dan rumus empiris suatu senyawa hanya terjadi perbedaan jumlah atom, sedangkan atom unsur penyusun senyawa tetap. Namun demikian beberapa senyawa memiliki rumus molekul dan rumus empirisnya yang sama, misalnya H₂O (air) dan NH₃ (amoniak).
                  Jumlah atom dalam suatu rumus kimia menyatakan jumlah mol dari unsur terkait, jadi rumus kimia suatu senyawa merupakan perbandingan mol atom unsur penyusun senyawa tersebut. Dari perbandingan atom atau perbandingan mol ini dapat ditentukan perbandingan massa dan % massa dari unsur-unsur yang menyusun senyawa tersebut.
                   Untuk memperjelas hal ini perhatikan contoh berikut! misalnya vitamin C yang mengandung asam askorbat dengan rumus molekul C₆H₈O₆, maka:
· Rumus molekul C₆H₈O₆
· Perbandingan mol atom unsur
C : H : O = 6 : 8 : 6
· Perbandingan massa unsur
C : H : O = 6 x Ar. C : 8 x Ar.H : 6 x Ar.O
= (6 x 12) : (8 x 1) : (6 x 16)
= 72 : 8 : 96
· Jumlah perbandingan = Mr
72 + 8 + 96 = 176
· % massa masing-masing unsur



Berikut adalah rumus untuk menghitung % massa unsur dalam senyawa


Contoh soal menentukan kadar unsur dalam senyawa
Berapa persen (%) C, O, N dan H yang terdapat dalam urea, CO(NH₂)₂, jika diketahui Ar.C = 12, Ar.O = 16, Ar.N = 28 dan Ar.H =1?
Jawab
Langkah penyelesaian
1. Tentukan mol masing unsur-unsur dalam senyawa
Atom C = 1 mol
Atom O = 1 mol
Atom N = 2 mol
Atom H = 4 mol
2. Dari mol atom tentukan massa masing-masing unsur dalam senyawa dengan cara: kalikan dengan atom relatif (Ar) masing-masing atom
Atom C = 1 mol x 12 g/mol = 12 g
Atom O = 1 mol x 16 g/mol = 16 g
Atom N = 2 mol x 14 g/mol = 28 g
Atom H = 4 mol x 1 g/mol = 4 g
3. Jumlahkan massa semua atom yang telah diperoleh untuk memperoleh massa molekul (massa molekul relatif)
Atau dengan cara
H


4. Tentukan % massa masing-masing unsur dengan cara:
Massa masing-masing atom dibagi dengan massa semua atom dalam senyawa (massa molekul relatif) kemudian dikali 100%.
Dengan cara ini diperoleh:




Jika terdapat 120 Kg urea maka massa N adalah sebesar = 46, 67% x 120 Kg = 56 Kg.


Rumus Empiris dan Rumus Molekul
Rumus Empiris
                Rumus empiris adalah rumus kimia yang menyatakan perbandingan terkecil jumlah atom-atom pembentuk senyawa. Misalnya senyawa etena yang memiliki rumus molekul C₂H₄, maka rumus empiris senyawa tersebut adalah CH₂.
                 Dalam menentukan rumus empiris yang dicari terlebih dahulu adalah massa atau persentase massa dalam senyawa, kemudian dibagi dengan massa atom relatif (Ar) masing-masing unsur. artinya untuk menentukan rumus empiris yang perlu dicari adalah perbandingan mol dari unsur-unsur dalam senyawa tersebut.

Contoh
Suatu senyawa mengandugn 64,6 g natrium, 45,2 g belerang dan 90 g oksigen. Jika diketahui Ar.N = 23, Ar.S = 32, ddan Ar.O = 16. Maka tentukan rumus empiris senyawa tersebut?
Jawab

Jadi rumus empiris senyawa tersebut adalah Na₂SO₄.


Rumus Molekul
                 Rumus molekul adalah rumus kimia yang menyatakan jenis dan jumlah atom yang menyusun suatu senyawa. Misalnya: C₂H₄ (etena), CO(NH₂)₂ (urea) dan asam asetat atau asam cuka (CH₃COOH). Rumus molekul dapat didefinisikan sebagai rumus kimia yang menyatakan perbandingan jumlah dan jenis atom sesungguhnya dari suatu senyawa.
               Dari rumus molekul asam cuka diketahui bahwa rumus molekul tersebut tidak ditulis C₂H₄O₂. Beberapa alasan rumus molekul asam cuka tidak ditulis demikian yaitu
1. Untuk membedakan dengan senyawa lain yang memiliki jumlah atom penyusun yang sama misalnya metil format (HCOOCH₃).
2. Rumus molekul menggambarkan struktur molekul. Artinya dari rumus molekul kita dapat menunjukan atom-atom saling berikatan. Pada molekul asam cuka atom C yang pertama mengikat 3 atom H dan 1 atom C berikutnya dan atom C berikunya mengikat 2 atom O kemudian 1 atom O mengikat 1 atom H.

Contoh soal menentukan rumus molekul dari rumus empiris
               200 g senyawa organik mempunyai massa molekul relatif = 180, senyawa ini terdiri dari 40% karbon, 6,6% hidrogen dan sisanya adalah oksigen. Jika diketahui Ar.C = 12, Ar.H = 1, dan Ar.O = 16. Maka tentukan rumus molekul senyawa ini?
Jawab




Jadi rumus empiris senyawa tersebut adalah CH₂O
Dari rumus molekul yang telah diperoleh maka rumus molekul dapat ditentukan sbagai berikut
CH₂O)n
(Ar C x n) + (2.Ar H x n) + (Ar.O) = Mr senyawa
12n + 2n + 16n = 180
30n = 180
n = 6
jadi rumus molekulnya adalah C₆H₁₂O₆.


Menentukan Rumus Empiris dan Rumus Molekul Berdasarkan Ar dan Mr
             Tentukan rumus molekul yang dimiliki senyawa dengan umus empiris CH, jika diketahui Mr senyawa tersebut adalah 78?
Jawab
Mr senyawa = (CH)n
78 = (12 + 1)n
78 = 13n
n = 6
jadi rumus molekul yang dimiliki senyawa tersebut adalah (CH)n = C₆H₆.

Contoh Soal
               Massa molekul relatif suatu senyawa organik yang memiliki rumus empiris CH₂O adalah 180, jika diketahui Ar.C= 12, Ar.H =1 Ar.O = 16, tentukan rumus molekul senyawa tersebut?
Jawab
Mr senyawa = (CH₂O)n
180 = (12 + 2+ 16)n
180 = 30n
n = 6
jadi rumus molekul yang miliki senyawa tersebut adalah (CH₂O)n = C₆H₁₂O₆


Persamaan Reaksi
              Seperti yang telah disinggung pada bab sebelumnya, bahwa perubahan kimia yang terjadi pada materi disebut juga reaksi kimia. Reaksi kimia yang terjadi dapat berlangsung secara eksoterm dan endoterm. Reaksi berlangsung secara eksoterm bila reaksi yang terjadi disertai pembebasan sejumlah energi, sedangkan kebalikan dari reaksi eksoterm disebut reaksi endoterm. Energi yang terlibat dapat berupa energi cahaya, energi panas dan energi-energi yang lainnya.
                Pada reaksi kimia terdapat zat awal yang belum mengalami perubahan yang disebut reaktan atau pereaksi dan zat yang telah mengalami perubahan yang disebut produk atau zat hasil reaksi. Zat-zat yang terlibat dalam reaksi kimia dapat berupa unsur dan senyawa. Rekasi yang dimaksud disini bukan reaksi fisi atau reaksi fusi, sehingga zat-zat sebelum dan sesudah reaksi adalah zat-zat yang sama.
                Reaksi kimia yang terjadi biasanya tulis dalam bentuk persamaan reaksi. Persamaan reaksi merupakan pernyataan yang mengungkapkan atau menggambarkan suatu proses kimia dengan menggunakan rumus kimia. Karena itu penulisan persamaan reaksi harus dapat menyatakan fenomena kimia yang sebenarnya, dimana zat-zat yang bereaksi dan zat-zat hasil reaksi harus tergambarkan dengan jelas. Agar lebih jelas perhatikan reaksi yang terjadi antara gas hidrogen dan gas oksigen untuk membentuk air, yang digambarkan sebagai berikut:

Keterangan:
· tanda panah menunjukan arah reaksi. Dibaca membentuk atau menghasilkan atau bereaksi menjadi.
· Huruf kecil dalam tanda kurung yang setelah rumus kimia (yang ditulis miring) menyatakan wujud zat. Wujud zat dinyatakan dengan singkatan yakni
§ s (solid) untuk zat berwujud padat
§ l (liquid) untuk zat berwujud cair
§ g untuk zat berwujud gas
§ aq (aqueous, baca: akues) untuk zat yang larut dalam air.
· Bilangan yang mendahului rumus kimia (2 pada H₂, 1 pada O₂ dan 2 pada H₂O) disebut koefisien reaksi. Koefisien reaksi untuk menyetarakan jumlah atom atau jumlah molekul atau jumlah ion sebelum dan sesudah reaksi.

             Pada contoh di atas dapat diketahui bahwa jumlah atom sebelum dan sesudah reaksi adalah sama, hal ini disebut persamaan setara. Berikut adalah penjumlahannya:
· Jumlah atom H di ruas kiri = jumlah atom H di ruas = 4
· Jumlah atom O di ruas kiri = jumlah atom O di ruas = 2
Untuk keperluan tertentu, persamaan reaksi dibubuhkan atribut lain. Berikut adalah beberapa atribut yang biasa ditemukan pada persaaman reaksi:
· Warna zat
· Δ ada bawah atau atas anak panah= tanda proses pemanasan
·  = tanda kesetimbangan
· ΔH = harga perubahan entalpi
· E° = harga potensial elektrode

Tujuan dan Penyetaraan Persamaan Reaksi
             Tujuan dari penyetaran persamaan reaksi yaitu untuk memenuhi hukum kekekalan massa atau hukum Lavoisier dan teori atom Dalton. Hukum kekealan massa berbunyi “dalam sistem tertutup massa zat sebelum dan setelah reaksi adalah tetap” dan tori atom dalton menyatakan “dalam reaksi kimia tidak ada atom yang hilang atau tercipta tetapi hanya terjadi penataan ulang”. Artinya jumlah dan jenis atom dalam reaksi kimia adalah tetap atau sama.
              Agar jumlah dan jenis atom yang terdapat pada reaktan dan produk tetap maka pada persamaan reaksi masing-masing spesi yang terlibat dalam reaksi kimia diberi koefisien yang sesuai. Seperti pada contoh pembentukan H₂O koefisien reaksi menyatakan jumlah atom, jumlah ion ataupun jumlah molekul, namun selain itu kofisien reaksi juga menyatakan mol zat yang terlibat dalam reaksi kimia. Misalnya contoh pembentukan air:

                 Koefisien yang dimiliki menyetakan 2 mol gas hidrogen bereaksi dengan 1 mol gas oksigen membentuk 2 mol air atau 2 molekul gas hidogen bereaksi dengan 1 molekul gas oksigen membentuk 2 molekul air.

Berikut adalah langkah-langkah menulis persamaan reaksi dan penyetaraannya
              Misalnya logam aluminium bereaksi dengan gas O₂ membentuk aluminium oksida. Tulislah persamaan reaksi dan penyetaraannya?
1) Menulis rumus kimia atau lambang unsur dari reaktan dan produk dengan wujud masing-masing spesies.

2) Tetapkan koefisien salah satu spesi sama dengan 1 (biasanya spesi yang rumus kimianya lebih kompleks).
Pada reaksi di atas spesi yang lebih kompleks adalah Al₂O₃ = 1
3) Setarakan unsur yang terkait langsung dengan zat yang telah diberi koefisien 1.
Koefisien Al₂O₃ = 1
Maka Al diruas kanan = 2
Al diruas kiri = 1
Agar jumlah atom Al pada kedua ruas sama maka Al pada ruas kiri diberi kofisien 2. Mka persamaan reaksinya menjadi:

Atom O
Koefisien Al₂O₃ = 1
Maka atom O diruas kanan = 3
Jumlah atom O diruas kiri = 2
Agar jumlah atom O pada kedua ruas sama maka atom O pada ruas kiri diberi koefisien 3/2. Persamaan reaksinya menjadi:

Agar koefisien tidak dalam bentuk pecahan koefisien pada kedua ruas dikalikan dengan satu bilangan sehingga memberikan suatu bilangan bulat. Agar diperoleh bilangan bulat maka kedua ruas dikali 2, sehingga diperoleh persamaan reaksi yang setara dengan koefisien dalam bentuk bilangan bulat:

4) Biasanya oksigen disetarakan paling terakhir jika masih terdapat unsur-unsur lain.
Contoh
Reaksi gas metana (CH₄) dengan gas oksigen membentuk gas karbon dioksida dan uap air. Tulislah persamaan reaksi dan setarakan persamaan reaksi tersebut?
Jawab
1. Menulis rumus kimia atau lambang unsur dari reaktan dan produk dengan wujud masing-masing spesies.

2. Tetapkan koefisien salah satu spesi sama dengan 1 (biasanya spesi yang rumus kimianya lebih kompleks). Sedangkan koefisien yang lainnya disetarakan huruf sebagai kofisien sementara.
CH₄ = 1, koefisien zat yang lain disetarakan dengan huruf, maka persamaan reaksinya menjadi:

3. Setarakan unsur yang terkait langsung dengan zat yang telah diberi koefisien 1.
Dari reaksi tersebut unsur yang beriktan langsung dengan zat telah diberi koefisien 1 adalah C dan H.
penyetaraan atom C
Atom C diruas kiri = 1
Atom C diruas kanan = b
Maka jumlah atom C diruas kanan = b = 1
Penyetaraan atom H
Jumlah atom H di ruas kiri = 4
Jumlah atom H di ruas kanan = 2c
Maka jumlah atom H di ruas kanan atau harga koefisien c = 2c = 4, c = 2
Dari penyetaraan ini maka persamaan reaksi menjadi

4. Setarakan atom O
Jumlah atom O di ruas kanan = 2 + 2 = 4
Jumlah atom O di ruas kiri = 2a
Maka jumlah atom O di ruas kiri atau harga koefisien a = 2a = 4, a = 2
Maka persamaan reaksinya menjadi:

Catatan: koefisien 1 biasanya tidak ditulis, penulisan du atas dan untuk penyetaraan reaksi selanjutnya hanya untuk memberikan gambaran mengenai tahap-tahap penyetaraan saja.

Contoh
              Reaksi besi(III) oksida dengan larutan asam sulfat membentuk besi(III) sulfat dan air. Tulislah persamaan reaksi dan setarakan persamaan reaksi tersebut?
Jawab
1. Menulis rumus kimia atau lambang unsur dari reaktan dan produk dengan wujud masing-masing spesies.

2. Tetapkan koefisien salah satu spesi sama dengan 1 (biasanya spesi yang rumus kimianya lebih kompleks). Sedangkan koefisien yang lainnya disetarakan huruf sebagai kofisien sementara.
Koefisien Fe₂(SO₄)₃ = 1 dan koefisien yang lain menggunakan huruf. Persamaan reaksi menjadi:

3. Setarakan unsur yang terkait langsung dengan zat yang telah diberi koefisien 1.
Dari reaksi tersebut unsur yang beriktan langsung dengan zat telah diberi koefisien 1 adalah Fe, S dan O. Namun O disetarakan terakhir karena unsur O terdapat di lebih dari dua zat.
Penyetaraan atom Fe
Jumlah atom Fe di ruas kiri = 2a
Jumlah atom Fe di ruas kanan = 2
Maka jumlah atom Fe diruas kiri atau harga koefisien a = 2a = 2, a = 1
Penyetaraan atom S
Jumlah atom S di ruas kiri = b
Jumlah atom S di ruas kanan = 3
Maka jumlah atom S di ruas kiri atau harga koefisien b = 3
Persamaan reaksinya menjadi:

4. Setarakan atom lainnya. Atom O disetarakan setelah semua atom setara.
Penyetaraan atom H
Jumlah atom H di ruas kiri = 6
Jumlah atom H di ruas kanan = 2c
Maka jumlah atom H di ruas kanan atau harga koefisien b = 2c = 6, c = 3
Persamaan reaksinya menjadi:

5. Setarakan atom O. Karena semua atom telah setara, maka oksigen seharusnya telah setara juga. Untuk meyakinkan jumlah atom O pada kedua ruas telah setara, maka dilakukan penjumlahan atom O pada kedua ruas.
Jumlah atom O di ruas kiri = 3 + 12 = 15
Jumlah atom O di ruas kanan = 12 + 3 = 15.
Dari penjumlahan ini, terbukti jumlah atom O pada ruas kiri dan ruas kanan telah setara. Jadi persamaan reaksi setaranya adalah sebagai beriktu:


Contoh
               Reaksi antara tembaga dengan larutan asam nitrat encer menghasilkan tembaga(II) sulfat, gas nitrogen oksida dan air. Tulislah persamaan reaksi dan setarakan persamaan reaksi tersebut?
Jawab
1. Menulis rumus kimia atau lambang unsur dari reaktan dan produk dengan wujud masing-masing spesies.


2. Tetapkan koefisien salah satu spesi sama dengan 1 (biasanya spesi yang rumus kimianya lebih kompleks). Sedangkan koefisien yang lainnya disetarakan huruf sebagai kofisien sementara.
Koefisien Cu(NO₃)₂ = 1, dan koefisien yang lain menggunakan huruf. Persamaan reaksi menjadi:

3. Setarakan unsur yang terkait langsung dengan zat yang telah diberi koefisien 1.
Pada reaksi di atas, hanya Cu yang dapat langsung disetarakan yaitu a = 1. Untuk unsur yang lainnya walaupun terkait langsung dengan Cu(NO₃)₂ tetapi tidak dapat langsung disetarakan karena terdapat di lebih dari dua zat yang belum mempunyai harga korfisien. Maka untuk menyetarakannya ikuti persamaan-persamaan berikut:
· Menyetarakan atom N : b = 2 + c ……………………… (1)
· Menyetarakan atom H : b = 2d …………………………. (2)
· Menyetarakan atom O : 3b = 6 + c + d ……………… (3)
Dari persamaan-persamaan di atas nyatakan nilai c dan d dalam b, sebagai berikut:
· Dari persamaan (1), b = 2 + c berarti c = b – 2
· Dari persamaan (2), b = 2d berarti d = 0,5 b
Substitusikan nilai c cdan d ke dalam persamaan (3)
3b = 6 + c + d
3b = 6 + b – 2 + 0,5 b
1,5b = 4
b =
nilai b yang telah diperoleh di substitusikan ke persamaan (1) dan (2) untuk memperoleh nilai c dan d. Maka nilai c dan d berturut-turut adalah     
Maka persamaan reaksinya menjadi:

karena masih dalam bentuk pecahan maka dikalikan 3 sehingga diperoleh koefisien dalam bentuk bilangan bulat.


Sifat persamaan reaksi
a. Jenis unsur-unsur sebelum dan sesudah reaksi selalu sama
b. Jumlah masing-masing atom sebelum dan sesudah reaksi selalu sama
c. Perbandingan koefisien reaksi menyatakan perbandingan mol. Khusus untuk yang berwujud gas perbandingan koefisien menyatakan perbandingan volume pada suhu den tekanannya sama.

Stoikiometri Reaksi
Hubungan mol dengan koefisien reaksi
              Seperti yang telah dijelaskan pada bagian-sebelumnya, koefisien zat dalam suatu persamaan reaksi menyatakan jumlah mol zat itu. Oleh sebab itu jumlah mol zat atau massa zat yang terlibat dalam suatu reaksi dapat ditentukan. Aspek kuantitatif zat-zat yang terlibat dalam dalam reaksi inilah yang disebut stoikiometri reaksi. Stoikiometri reaksi ini sangat diperlukan terutama dalam merencanaakan banyaknya zat yamg akan dihasilkan dari suatu reaksi kimia dalam industri maupun dalam laboratorium.
                    Dengan mengeahui koefisien persamaan reaksi maka jumlah mol suatu zat dalam persamaan reaksi telah diketahui. Mol zat yang telah diketahui dapat digunakan untuk menentukan massa zat yang diperlukan dalam suatu reaksi. Karena hal tersebut koefisien reaksi disebut sebagai dasar stoikiometri reaksi.

Contoh
Logam aluminium yang dilarutkan ke dalam asam sulfat menghasilkan aluminium sulfat dan gas hidrogen, sesuai reaksi berikut:

Berapa mol mol gas hidrogen yang dihasilkan jika digunakan 0,5 mol aluminium yang dilarutkan dalam asam sulfat?
Jawab


artinya dengan melarutkan 0,5 mol aluminium menghasilkan 0,75 mol gas hidrogen.
Dari mol gas hidrogen yang telah diketahui dapat ditentukan massa hidrogen yang dihasilkan. Massa hidrogen dapat ditentukan dengan cara mengalikan mol hidrogen yang diperoleh dengan Mr.H₂.

Contoh
Perhatikan reaksi berikut:

Berapa volume gas hidrogen (STP) yang terbentuk jika digunakan 5,4 gram Al? (Ar Al = 27)
Jawab
a) Setarakan reaksi kimia yang terjadi jika persamaan reaksi belum setara. Pada persamaan reaksi di atas telah setara sehingga tidak perlu disetarakan.

b) Menyatakan jumlah mol zat yang diketahui, yakni aluminium.

c) Menentukan jumlah mol zat yang ditanyakan yakni gas H₂.


d) Menentukan volume gas H₂ yang dihasilkan
V = n x Vm
= 0,3 mol x 22,4 L mol‾¹ = 6,72 L.


Hipotesis Avogadro dan Hubungan Volume dengan Koefisien Reaksi
                  Pada tahun 1811, Ameo Avogadro mengemukakan sebuah hipotesis yang mengatakan: “pada tekanan (P) dan suhu (T) yang sama, gas-gas yang memiliki volume sama mengandung jumlah molekul (jumlah mol) yang sama pula”.
Artinya pada P dan T sama, perbandingan volume gas-gas yang terlibat dalam suatu reaksi sama dengan perbandingan jumlah mol zat yang terlibat dalam reaksi tersebut. Karena pada persamaan reaksi, koefisien menyatakan jumlah mol zat, maka volume gas yang terlibat dalam suatu reaksi sama dengan koefisien zat itu.
Hubungan antara koefisien suatu zat dengan volume dapat dirumuskan sebagai berikut:

Contoh
            Pada suhu dan tekanan tertentu 0,5 mol gas oksigen volumenya adalah 2 liter. Hitunglah volume dari 1,5 mol gas hidrogen pada suhu dan tekanan yang sama dengan gas oksigen tersebut
Jawab





Contoh
              Tentukan berapa volume gas belerang trioksida (SO₃) yang dihasilkan dan berapa volume gas O₂ yang dibutukan, jika direaksikan 1 liter gas belerang dioksida (SO₂) dengan gas oksigen?
Jawab
Persamaan reaksi
SO₂(g) + O₂(g)                       2SO₃(g)
SO₂ yang bereaksi = 1 liter