STOIKIOMETRI DASAR (Pereaksi Pembatas, mol, bobot)

Dalam kimia, perhitungan jumlah partikel, seperti atom dan molekul, umumnya melibatkan bilangan yang sangat besar. Untuk menghitungnya secara efisien dan cepat, kita perlu mengetahui berapa bobot (massa) setiap atom dan molekul. Bobot (massa) setiap atom dapat dilihat pada tabel periodik. Sementara, untuk menentukan bobot (massa) suatu molekul, dapat dilakukan dengan menambahkan bobot (massa) setiap atom dalam senyawa tersebut.

Bobot (massa) setiap atom dapat ditemukan dalam tabel periodik, sehingga massa suatu molekul dapat diperoleh dengan cara menambahkan massa setiap atom di dalam senyawa tersebut.  Sebagai contoh, amonia, NH₃, tersusun atas tiga atom hidrogen dan satu atom nitrogen. Dengan melihat pada tabel periodik, kita dapat melihat bahwa massa satu atom hidrogen sama dengan 1,008 sma dan massa satu atom nitrogen adalah 14,00 sma. Dengan demikian, massa satu molekul amonia dapat diperoleh dengan menjumlahkan massa tiga atom hidrogen dan massa satu atom nitrogen.
Mr NH₃ = 3 x Ar H + 1 x Ar N = 3 x 1,008 + 1 x 14,00 = 17,024 sma
Contoh lain, pada tabel periodik, kita dapat melihat bahwa massa satu atom tembaga adalah 63,55 sma dan massa satu atom belerang adalah 32,07 sma. Sementara, massa satu atom oksigen adalah 16,00 sma, sedangkan massa satu atom hidrogen adalah 1,008 sma. Dengan demikian, massa satu molekul CuSO₄.5H₂O adalah sebagai berikut:
Mr CuSO₄.5H₂O = 1 x Ar Cu + 1 x Ar S + 4 x Ar O + 5 x Mr H₂O
= 1 x Ar Cu + 1 x Ar S + 4 x Ar O + 5 x (2 x Ar H + 1 X Ar O)
= 1 x 63,55 + 1 x 32,07 + 4 x 16,00 + 5 x (2 x 1,008 + 1 x 16,00)
=  249,700 sma
Dalam kehidupan sehari-hari, kita menggunakan istilah tertentu untuk menyatakan jumlah. Sebagai contoh, istilah sepasang menyatakan jumlah sebanyak 2; satu lusin setara dengan 12; dan satu rim sama dengan 500. Masing-masing istilah tersebut adalah satuan untuk pengukuran dan hanya sesuai untuk benda tertentu. Tidak pernah kita membeli satu rim anting-anting atau satu pasang kertas.
Demikian halnya dalam ilmu kimia. Ketika para ilmuwan membicarakan tentang atom dan molekul, dibutuhkan satuan yang sesuai dan dapat digunakan untuk ukuran atom dan molekul yang sangat kecil. Satuan ini disebut mol.



Kata mol mewakili suatu bilangan, yaitu 6,022 x 10²³, yang umumnya disebut sebagai bilangan Avogadro. Nama ini diberikan menurut nama Amedeo Avogadro, seorang ilmuwan yang meletakkan dasar untuk prinsip mol.

Bilangan Avogadro merupakan bilangan tertentu untuk sesuatu dan umumnya, sesuatu itu adalah atom dan molekul. Dengan demikian, mol berhubungan dengan dunia mikroskopis atom dan molekul. Mol juga berhubungan dengan dunia makroskopis, yaitu bobot (massa). Satu mol adalah jumlah partikel yang terdapat dalam tepat 12 gram atom C-12. Jadi, 12 gram atom C-12 tepat mengandung 6,022 x 10²³ atom C-12, yang juga merupakan satu mol atom C-12. Untuk unsur lainnya, satu mol adalah bobot atom yang dinyatakan dalam gram. Untuk senyawa, satu mol adalah bobot molekul (senyawa) dalam satuan gram.

Massa molekul relatif (Mr) air adalah 18,015 sma. Oleh karena satu mol adalah bobot molekul (senyawa) dalam satuan gram, maka dapat dikatakan bahwa satu mol air setara dengan 18,015 gram air. Kita juga dapat mengatakan bahwa di dalam 18,015 gram air terdapat 6,022 x 10²³molekul air. Satu mol air tersusun oleh dua mol hidrogen dan satu mol oksigen.
Mol adalah jembatan yang menghubungkan antara dunia mikroskopis dan makroskopis. Hubungan antara bilangan Avogadro, mol, dan bobot (massa) atom/molekul adalah sebagai berikut :
6,022 x 10²³ partikel  ↔  mol  ↔  bobot (massa) atom atau molekul (gram)
Sebagai contoh, banyak molekul air yang terdapat di dalam 5,50 mol air adalah sebanyak 5,50 mol x 6,022 x 10²³ molekul/mol = 3,31 x 10²⁴ molekul air. Sementara, jumlah mol air di dalam 25 gram air adalah sebanyak 25 gram /18,015 gram.mol^-1 = 1,39 mol air.
Konsep mol dapat digunakan untuk menghitung rumus empiris suatu senyawa. Rumus empiris adalah rumus yang menyatakan perbandingan paling sederhana mol unsur-unsur pembentuk senyawa. Rumus empiris suatu senyawa dapat ditentukan melalui data komposisi persentase tiap unsur yang menyusun senyawa tersebut.  Komposisi persentase merupakan persentase berdasarkan bobot (massa) setiap unsur dalam senyawa tersebut.
Penentuan komposisi persentase unsur merupakan salah satu dari analisis pertama yang dilakukan oleh para kimiawan saat mempelajari senyawa baru. Sebagai contoh, suatu senyawa mempunyai persentase massa unsur sebagai berikut : 26,4% Na, 36,8% S, dan 36,8% O. Kita dapat mengasumsikan massa senyawa sebesar 100 gram (basis persentase adalah per 100), sehingga persentase tersebut dapat digunakan sebagai massa unsur. Dengan demikian, mol masing-masing unsur dapat ditentukan.
mol Na = 26,4 gram / 22,99 gram.mol^-1 = 1,15 mol Na
mol S = 36,8 gram / 32,07 gram.mol^-1 = 1,15 mol S
mol O = 36,8 gram / 16,00 gram.mol^-1 = 2,30 mol O
Rumus empiris senyawa tersebut adalah Na_1,15S_1,15O_2,30. Angka subskrip pada rumus kimia harus merupakan bilangan bulat. Dengan demikian, setelah masing-masing angka tersebut dibagi dengan 1,15, akan diperoleh rumus NaSO₂. Senyawa tersebut dikatakan memiliki rumus empiris NaSO₂. Massa molekul relatif (Mr) untuk rumus empiris tersebut adalah 22,99 + 32,07 + 2(16,00) = 87,06 gram/mol.
Pada percobaan lain, telah diketahui berdasarkan analisis spektromassa, bahwa senyawa tersebut memiliki bobot (massa) molekul sebesar 174,12 gram/mol. Bobot (massa) molekul suatu senyawa menunjukkan jenis dan jumlah masing-masing unsur yang menyusun senyawa tersebut, bukan perbandingan paling sederhana. Dengan demikian, rumus molekul (formula) suatu senyawa merupakan kelipatan dari rumus empiris senyawa bersangkutan. Dengan membagi 174,12 gram dengan 87,06 gram (membagi bobot (massa) molekul sesungguhnya dengan bobot (massa) molekul relatif), diperoleh angka dua. Hal ini berarti, rumus molekul (formula) adalah dua kali rumus empirisnya. Rumus molekul (formula) senyawa tersebut sesungguhnya adalah (NaSO₂)₂ = Na₂S₂O₄.
Reaksi kimia adalah proses perubahan dari suatu zat menjadi zat baru. Untuk mempelajari perubahan yang terjadi di dalam reaksi kimia, para ahli kimia biasanya menggunakan notasi (simbol) dan dinyatakan dalam persamaan reaksi kimia. Persamaan reaksi kimia menggunakan notasi kimia (simbol kimia) untuk memperlihatkan proses yang terjadi selama reaksi kimia berlangsung. Seorang kimiawan menggunakan sesuatu yang disebut reaktan dan membuat sesuatu yang baru dari reaktan  tersebut (disebut produk).
Sebagai contoh, reaksi yang terjadi pada Proses Haber, suatu metode untuk menghasilkan gas amonia (NH₃) dari gas nitrogen (N₂) dan gas hidrogen (H₂), adalah sebagai berikut :
N_2(g) +  3 H_2(g) →  2 NH_3(g)
Reaksi tersebut dapat dibaca sebagai berikut : satu molekul gas nitrogen bereaksi dengan tiga molekul gas hidrogen menghasilkan dua molekul gas amonia.
1 molekul N_2(g) +  3 molekul H_2(g) →  2 molekul NH_3(g)
1 lusin molekul N_2(g) +  3 lusin molekul H_2(g) →  2 lusin molekul NH_3(g)
1000 molekul N_2(g) +  3000 molekul H_2(g) →  2000 molekul NH_3(g)
1 juta molekul N_2(g) +  3 juta molekul H_2(g) →  2 juta molekul NH_3(g)
1 x 6,022 x 10²³ molekul  N_2(g) +  3 x 6,022 x 10²³ molekul H_2(g) →  2 x 6,022 x 10²³ molekul NH_3(g)
1 mol molekul N_2(g) +  3 mol molekul H_2(g) →  2 mol molekul NH_3(g)
Ternyata koefisien reaksi pada persamaan reaksi kimia yang telah disetarakan tidak hanya menyatakan jumlah atom dan molekul, tetapi ini juga menyatakan jumlah mol. Dengan mengetahui massa molekul relatif (Mr) dari reaktan dan produk, jumlah reaktan yang dibutuhkan dan jumlah produk yang dihasilkan dapat ditentukan. Sebagai contoh, lihatlah kembali persamaan kimia pada Proses Haber.
N_2(g) +  3 H_2(g) →  2 NH_3(g)
1 mol N_2(g) +  3 mol H_2(g) →  2 mol NH_3(g)
1 mol N₂ = 1 mol x 28,00 gram/mol = 28,00 gram
3 mol H₂ = 3 mol x 2,016 gram/mol = 6,048 gram
2 mol NH₃ = 2 mol x 17,024 gram/mol = 34,048 gram
Dengan mengetahui hubungan massa antara reaktan dan produk, kita dapat mengerjakan soal-soal stoikiometri. Stoikiometri adalah studi kuantitatif mengenai jumlah reaktan dan produk yang terlibat dalam reaksi kimia. Stoikiometri pada persamaan kimia menyatakan hubungan massa.
Pada persamaan reaksi Proses Haber, terlihat bahwa satu mol gas nitrogen dapat bereaksi dengan tiga mol gas hidrogen untuk menghasilkan dua mol gas amonia. Misalkan kita ingin mengetahui jumlah gram gas amonia yang dapat dihasilkan dari reaksi 75 gram gas nitrogen dengan gas hidrogen berlebih. Kuncinya adalah konsep mol. Koefisien pada reaksi yang telah disetarakan tidak hanya menunjukkan jumlah setiap atom atau molekul saja, tetapi juga jumlah mol.
Pertama, kita dapat mengubah 75 gram gas nitrogen menjadi mol gas nitrogen. Kemudian kita dapat menggunakan nisbah (perbandingan) mol gas amonia terhadap mol gas nitrogen dari persamaan reaksi yang telah disetarakan, untuk mendapatkan jumlah mol gas amonia. Akhirnya, kita mendapatkan mol amonia dan mengubahnya menjadi bentuk gram. Persamaannya adalah sebagai berikut :
Massa NH₃ = (75 gram N₂/28,00 gram N₂.mol^-1 N₂) x (2 mol NH₃/1 mol N₂) x (17,024 gram NH₃/mol NH₃)
= 91,2 gram NH₃
Nisbah (perbandingan) mol NH₃ terhadap mol N₂ disebut sebagai nisbah (perbandingan) stoikiometri. Nisbah ini dapat digunakan untuk mengubah mol suatu bahan pada persamaan reaksi menjadi mol bahan lainnya.
Secara umum, berikut ini adalah langkah-langkah dalam menyelesaikan soal stoikimoetri :

1. Tuliskan terlebih dahulu persamaan reaksi kimia yang telah disetarakan
2. Ubahlah satuan reaktan dari gram atau satuan lainnya menjadi satuan mol
3. Gunakan nisbah stoikiometri untuk menentukan jumlah mol produk yang terbentuk
4. Ubahlah mol produk yang dihasilkan menjadi satuan gram atau satuan lainnya

Sebagai contoh, berikut ini adalah reaksi reduksi karat (Fe₂O₃) menjadi logam besi dengan menggunakan karbon (kokas). Persamaan reaksi kimia setaranya adalah sebagai berikut :
2 Fe₂O_3(s) +  3 C_(s) →  4 Fe_(s) + 3 CO_2(g)
Pada contoh ini, bobot (massa) molekul relatif dari setiap bahan adalah sebagai berikut :
Fe₂O₃ :  159,69 gram/mol
C  :  12,01 gram/mol
Fe  :  55,85 gram/mol
CO₂ :  44,01 gram/mol
Misalkan, kita ingin menentukan berapa gram karbon yang diperlukan untuk tepat bereaksi dengan 1 kilogram karat besi. Langkah pertama yang harus dikerjakan adalah mengubah kilogram karat besi menjadi gram karat besi, kemudian mengubahnya menjadi mol karat besi. Langkah berikutnya, kita menggunakan nisbah stoikiometri untuk mengubah dari mol karat besi menjadi mol karbon. Akhirnya, setelah mendapatkan mol karbon, massa karbon dapat ditentukan dengan menggunakan massa atom relatif karbon.
1 kilogram Fe₂O₃ =  1000 gram Fe₂O₃
Mol Fe₂O₃ =  1000 gram/159,69 gram.mol^-1 =  6,262 mol Fe₂O₃
Nisbah stoikiometri C terhadap Fe₂O₃ adalah 3 : 2
Mol Fe₂O₃ :  Mol C  =  Koefisien reaksi Fe₂O₃ :  Koefisien reaksi C
6,262 : Mol C = 2 : 3
Mol C = 3/2 x Mol Fe₂O₃ = 3/2 x 6,262 mol = 9,393 mol C
Massa C = mol C x Ar C = 9,393 mol Cx 12,01 gram C/mol C = 112,8 gram C
Kita juga dapat menghitung jumlah atom karbon yang digunakan untuk bereaksi dengan 1 kilogram karat besi. Pada dasarnya, perhitungan yang digunakan sama, tetapi pada tahap pengubahan mol karbon menjadi gram karbon, diganti dengan pengubahan mol karbon menjadi atom karbon dengan menggunakan bilangan Avogadro.
Jumlah Atom C = mol C x Bilangan Avogadro = 9,393 mol C x 6,022 x 10²³ atom C/mol C
= 5,656 x 10²⁴ atom C
Selanjutnya, kita ingin menentukan berapa gram besi yang dihasilkan dari reaksi  1 kilogram karat besi. Langkah pertama yang harus dikerjakan adalah mengubah kilogram karat besi menjadi gram karat besi, kemudian mengubahnya menjadi mol karat besi. Langkah berikutnya, kita menggunakan nisbah stoikiometri untuk mengubah dari mol karat besi menjadi mol besi. Akhirnya, setelah mendapatkan mol besi, massa besi dapat ditentukan dengan menggunakan massa atom relatif besi.
1 kilogram Fe₂O₃ =  1000 gram Fe₂O₃
Mol Fe₂O₃ =  1000 gram/159,69 gram.mol^-1 =  6,262 mol Fe₂O₃
Nisbah stoikiometri Fe terhadap Fe₂O₃ adalah 4 : 2
Mol Fe₂O₃ :  Mol Fe  =  Koefisien reaksi Fe₂O₃ :  Koefisien reaksi Fe
6,262 : Mol Fe = 2 : 4
Mol Fe = 4/2 x Mol Fe₂O₃ = 4/2 x 6,262 mol = 12,524 mol Fe
Massa Fe = mol Fe x Ar Fe = 12,524 mol Fe x 55,85 gram Fe/mol Fe = 699,47 gram Fe
Dengan demikian, kita dapat meramalkan bahwa pada akhir reaksi, 1 kilogram karat besi dapat menghasilkan 699,47 gram logam besi. Namun, bagaimana jika setelah melakukan reaksi ini, kita hanya mendapatkan 525 gram logam besi? Ada beberapa alasan sehingga kita mendapatkan hasil yang jauh lebih kecil dari yang kita harapkan. Misalkan, reaktan yang digunakan tidak murni. Atau mungkin saja teknik reaksi yang digunakan tidak begitu baik. Tidak menutup kemungkinan, reaksi ini merupakan reaksi kesetimbangan , sehingga kita tidak akan pernah memperoleh hasil 100% dari perubahan reaktan menjadi produk.
Efisiensi suatu reaksi kimia dapat ditentukan melalui perhitungan persentase hasil. Hampir di semua reaksi, kita akan mendapatkan hasil yang lebih sedikit dari yang diharapkan. Hal ini terjadi karena sebagian besar reaksi merupakan reaksi kesetimbangan atau karena adanya  beberapa kondisi reaksi yang menyebabkan reaksi tidak berjalan sempurna. Para kimiawan dapat memperoleh efisiensi reaksi dengan menghitung persentase hasil sebagai berikut :
Persentase hasil = (hasil sesungguhnya/hasil teoritis) x 100%

Hasil sesungguhnya adalah berapa banyak produk yang diperoleh setelah reaksi selesai. Hasil teoritis adalah berapa banyak produk yang diperoleh berdasarkan perhitungan stoikiometri.  Perbandingan dari kedua hasil ini memberikan penjelasan tentang seberapa efisien reaksi tersebut. Pada contoh sebelumnya, hasil teoritis logam besi adalah 699,47 gram. Sedangkan hasil sesungguhnya adalah 525 gram. Oleh karena itu, persentase hasilnya adalah :
% hasil = (525 gram/699,47 gram) x 100% = 75,05%
Persentase hasil 75% bukan merupakan hasil yang terlalu buruk. Akan tetapi, para kimiawan dan insinyur kimia lebih senang mendapatkan hasil yang lebih besar dari 90%. Salah satu industri yang menggunakan Proses Haber memiliki persentase hasil yang lebih dari 99%.
Pada beberapa reaksi kimia, reaktan yang disediakan tidak selalu sesuai dengan nisbah stoikiometrinya. Hal ini berarti, kita akan kehabisan salah satu reaktan dan masih menyisakan reaktan lainnya. Reaktan yang habis terlebih dahulu dikenal dengan istilah pereaksi pembatas. Pereaksi pembatas menentukan jumlah produk yang akan dihasilkan oleh suatu reaksi kimia. Berikut ini kita akan membahas bagaimana cara menentukan pereaksi pembatas melalui contoh berikut :
4 NH_3(g) +  5 O_2(g) →  4 NO_(g) +  6 H₂O_(l)
Kita mulai dengan 100 gram gas amonia yang direaksikan dengan 100 gram gas oksigen. Reaktan manakah yang merupakan pereaksi pembatas? Berapakah gram gas nitrogen monoksida (NO) yang dapat dihasilkan?
Untuk menentukan reaktan mana yang merupakan pereaksi pembatas, kita dapat menggunakan nisbah (perbandingan) mol terhadap koefisien reaksinya. Kita menghitung jumlah mol masing-masing dan kemudian dibagi dengan koefisien reaksinya masing-masing berdasarkan persamaan reaksi kimia yang telah disetarakan. Nisbah mol terhadap koefisien yang terkecil merupakan pereaksi pembatas.
Mol NH₃ = 100 gram/17,024 gram.mol^-1 = 5,874 mol
Mol NH₃/koefisien NH₃ = 5,874/4 = 1,468
Mol O₂ = 100 gram/32,00 gram.mol^-1 = 3,125 mol
Mol O₂/koefisien O₂ = 3,125/5 = 0,625
Gas amonia mempunyai nisbah mol terhadap koefisien sebesar 1,468. Sementara, gas oksigen mempunyai nilai nisbah 0,625. Dengan demikian, gas oksigen merupakan pereaksi pembatas. Perhitungan produk yang akan dihasilkan bergantung pada mol gas oksigen.
Nisbah stoikiometri NO terhadap O₂ adalah 4 : 5
Mol O₂ :  Mol NO  =  Koefisien reaksi O₂ :  Koefisien reaksi NO
3,125 : Mol NO = 5 : 4
Mol NO = 4/5 x Mol O₂ = 4/5 x 3,125 mol = 2,5 mol NO
Massa NO = mol NO x Ar NO = 2,5 mol NO x 30,00 gram NO/mol NO = 75,00 gram NO
Nilai 75,00 gram NO merupakan hasil teoritis. Jika hasil sesungguhnya adalah 70,00 gram, persentase hasil reaksi tersebut adalah sebesar (70,00 gram/75,00 gram) x 100 % = 93,33%.
Kita juga dapat menghitung berapa banyak gas amonia yang tersisa. Perhitungan mol gas amonia yang digunakan dalam reaksi bergantung pada mol gas oksigen sebagai pereaksi pembatas.
Nisbah stoikiometri NH₃ terhadap O₂ adalah 4 : 5
Mol O₂ :  Mol NH₃ =  Koefisien reaksi O₂ :  Koefisien reaksi NH₃
3,125 : Mol NH₃= 5 : 4
Mol NH₃ = 4/5 x Mol O₂ = 4/5 x 3,125 mol = 2,5 mol NH₃
Massa NH₃ = mol NH₃ x Ar NH₃ = 2,5 mol NH₃ x 17,024 gram NH₃/mol NH₃ = 42,56 gram NH₃
Dengan demikian, jumlah gas amonia yang tersisa (tidak digunakan) adalah sebanyak 100 gram -  42,56 gram  =  57,44 gram.
Referensi:
Chang, Raymond. 2007. Chemistry Ninth Edition. New York: Mc Graw Hill.
Moore, John T. 2003. Kimia For Dummies. Indonesia:Pakar Raya.

Posted in: Materi Kimia SMA X