Atom, molekul, dan stoikiometri

Atom terlalu ringan untuk ditimbang dalam gram, jadi kita membandingkan setiap massa dengan satu standar. Standarnya adalah satuan massa atom seragam (simbol u), yang didefinisikan tepat sebagai satu per dua belas massa satu atom karbon-12.

Menggunakan satuan ini, kita menyatakan massa sebagai angka sederhana:

• massa atom relatif $A_r$ dari suatu unsur adalah massa rata-rata atom-atomnya dibandingkan dengan $\tfrac{1}{12}$ dari atom karbon-12. Ini adalah rata-rata dari semua isotop, dibobot berdasarkan kelimpahan masing-masing.
• massa isotop relatif adalah massa satu atom dari satu isotop tunggal, dibandingkan dengan $\tfrac{1}{12}$ dari atom karbon-12.
• massa molekul relatif $M_r$ dari sebuah molekul adalah jumlah dari massa atom relatif dari semua atom penyusunnya.
• mass formula relatif adalah konsep yang sama untuk zat yang tidak terdiri dari molekul (seperti senyawa ion). Jumlahkan massa atom relatif yang tertera dalam rumus.

Untuk mencari $A_r$ dari data isotop, kalikan massa setiap isotop dengan persentasenya, jumlahkan hasil tersebut, lalu bagi dengan 100.

Contoh terpecahkan. Klorin terdiri dari $75\%$ ${}^{35}\text{Cl}$ dan $25\%$ ${}^{37}\text{Cl}$. Temukan massa atom relatifnya.

Contoh soal. Spektrometer massa menunjukkan tembaga adalah $69.2\%$ ${}^{63}\text{Cu}$ dan $30.8\%$ ${}^{65}\text{Cu}$. Tentukan massa atom relatifnya.

Ahli kimia menghitung partikel dalam kelompok yang disebut mol, sama seperti kita menghitung telur dalam dozens (kodi).

Satu mol (simbol mol) adalah jumlah zat yang mengandung jumlah partikel yang sama dengan jumlah atom dalam tepat 12 g karbon-12. Angka itu adalah konstanta Avogadro:

Jadi satu mol apa pun berisi $6.02 \times 10^{23}$ partikel. Partikel tersebut bisa berupa atom, molekul atau ion — selalu sebutkan jenisnya.

Massa satu mol dalam gram sama dengan massa relatif ($A_r$ atau $M_r$). Ini disebut massa molar, dengan satuan $\text{g mol}^{-1}$. Persamaan utamanya adalah:

di mana $n$ adalah jumlah dalam mol, $m$ adalah massa dalam gram, dan $M$ adalah massa molar.

Contoh soal. Berapa banyak mol dalam $8.0\ \text{g}$ metana, $\text{CH}_4$? ($A_r$: C $= 12$, H $= 1$.)

Massa molar adalah $M = 12 + 4(1) = 16\ \text{g mol}^{-1}$, sehingga

Sebuah senyawa adalah zat yang terdiri dari dua atau lebih unsur yang bergabung secara kimia.

Muatan dan rumus senyawa ionik

Dalam senyawa ionik, total muatan positif menyeimbangkan total muatan negatif, sehingga senyawanya netral secara keseluruhan.

Anda dapat memprediksi muatan banyak ion dari posisi unsur dalam Tabel Periodik:

Hidrogen membentuk $\text{H}^+$, dan gas mulia Golongan 18 biasanya tidak membentuk ion.

Beberapa ion yang harus Anda hafal nama dan rumusnya:

Untuk logam yang dapat memiliki lebih dari satu muatan, angka Romawi menunjukkan bilangan oksidasi. Misalnya, besi(II) adalah $\text{Fe}^{2+}$ dan besi(III) adalah $\text{Fe}^{3+}$. Untuk menulis rumus, samakan muatannya: oksida besi(III) adalah $\text{Fe}_2\text{O}_3$, karena dua $\text{Fe}^{3+}$ menyeimbangkan tiga $\text{O}^{2-}$.

Persamaan dan simbol keadaan

Persamaan kimia harus seimbang — jumlah masing-masing jenis atom di kedua sisi harus sama. Tambahkan simbol keadaan untuk menunjukkan wujud setiap spesies: (s) padat, (l) cair, (g) gas, dan (aq) berair (terlarut dalam air).

Persamaan ionik hanya menampilkan ion dan molekul yang benar-benar berubah. Ion yang tidak berubah disebut ion penonton, dan Anda mengabaikannya. Misalnya, reaksi yang membentuk perak klorida adalah:

Rumus empiris dan rumus molekuler

Rumus empiris adalah rasio bilangan bulat sederhana dari atom setiap unsur dalam suatu senyawa. Rumus molekuler menunjukkan jumlah aktual atom setiap unsur dalam satu molekul.

Sebagai contoh, etana memiliki rumus empiris $\text{CH}_3$ tetapi rumus molekuler $\text{C}_2\text{H}_6$.

Padatan berhidrat dan anhidrat

Beberapa padatan menyimpan air di dalam kristalnya. Air ini disebut air kristalisasi. Padatan yang mengandungnya disebut berhidrat; padatan yang sama dengan air yang telah dihilangkan disebut anhidrat.

Sebagai contoh, kuprum(II) sulfat berhidrat adalah $\text{CuSO}_4 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$. Memanaskannya akan menguapkan air untuk menyisakan $\text{CuSO}_4$ anhidrat.

Menghitung rumus empiris dan molekuler

Untuk menemukan rumus empiris dari massa (atau persentase massa):

1. bagi massa setiap unsur dengan $A_r$-nya untuk mendapatkan mol.
2. bagi semua nilai mol dengan nilai terkecil.
3. bulatkan ke bilangan bulat terdekat — rasio itulah rumus empirisnya.

Untuk mendapatkan rumus molekuler, Anda juga membutuhkan $M_r$. Temukan berapa kali massa rumus empiris masuk ke dalam $M_r$, kemudian kalikan rumus dengan angka tersebut.

Contoh terpecahkan. Suatu senyawa terdiri dari $40.0\%$ karbon, $6.7\%$ hidrogen dan $53.3\%$ oksigen berdasarkan massa. Temukan rumus empirisnya. ($A_r$: C $= 12$, H $= 1$, O $= 16$.)

Ambil $100\ \text{g}$ dan bagi setiap massa dengan $A_r$ Anda untuk mendapatkan mol: C $= 40.0/12 = 3.33$, H $= 6.7/1 = 6.7$, O $= 53.3/16 = 3.33$. Membagi semua dengan nilai terkecil ($3.33$) memberikan rasio C : H : O $= 1 : 2 : 1$, sehingga rumus empirisnya adalah $\text{CH}_2\text{O}$.

Massa bereaksi dan persentase hasil

Angka di depan setiap spesies dalam persamaan setara memberikan perbandingan mol — ini adalah stoikiometri. Untuk mencari massa bereaksi: ubah massa yang diketahui menjadi mol, gunakan perbandingan mol untuk menemukan mol yang diinginkan, lalu ubah kembali ke massa.

Contoh terpecahkan. Berapa massa magnesium oksida yang terbentuk ketika $4.8\ \text{g}$ magnesium terbakar sepenuhnya? $2\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{MgO}$. ($A_r$: Mg $= 24$, O $= 16$.)

Mol Mg $= 4.8/24 = 0.20\ \text{mol}$. Rasio Mg : MgO adalah $1 : 1$, sehingga $0.20\ \text{mol}$ MgO terbentuk. Massa molarnya adalah $24 + 16 = 40\ \text{g mol}^{-1}$, sehingga

Dalam reaksi nyata, Anda biasanya mendapatkan produk lebih sedikit daripada maksimum teoritis. Persentase hasil membandingkan jumlah yang benar-benar Anda buat dengan jumlah maksimal yang bisa dibuat:

Reagen pembatas dan berlebih

Ketika dua reaktan dicampur, biasanya salah satu habis lebih dulu. Reagen pembatas adalah yang habis — ia menentukan berapa banyak produk yang terbentuk. Yang lain adalah reaktan berlebih, karena jumlahnya lebih dari cukup. Selalu dasar perhitungan pada reagen pembatas.

Untuk menemukannya: hitung mol setiap reaktan, bagi masing-masing dengan angka dalam persamaan, dan hasil terkecil adalah reagen pembatas.

Volume gas

Pada suhu dan tekanan yang sama, volume yang sama dari semua gas mengandung jumlah molekul yang sama. Pada suhu dan tekanan ruang (r.t.p.), satu mol dari gas apa pun menempati $24.0\ \text{dm}^3$, sehingga:

Ini digunakan saat membakar hidrokarbon (senyawa hanya karbon dan hidrogen), di mana Anda membandingkan volume gas.

Volume dan konsentrasi larutan

Konsentrasi suatu larutan adalah jumlah zat terlarut dalam setiap desimeter kubik larutan, diukur dalam $\text{mol dm}^{-3}$:

di mana $c$ adalah konsentrasi dan $V$ adalah volume dalam $\text{dm}^3$. Ingatlah bahwa $1000\ \text{cm}^3 = 1\ \text{dm}^3$.

Contoh terpecahkan. Dalam titrasi, $25.0\ \text{cm}^3$ larutan natrium hidroksida dinetralkan tepat oleh $20.0\ \text{cm}^3$ $0.100\ \text{mol dm}^{-3}$ asam klorida: $\text{NaOH} + \text{HCl} \rightarrow \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O}$. Temukan konsentrasi natrium hidroksida.

Mol HCl $= cV = 0.100 \times \dfrac{20.0}{1000} = 2.00 \times 10^{-3}\ \text{mol}$. Rasionya $1 : 1$, jadi terdapat $2.00 \times 10^{-3}\ \text{mol}$ NaOH dalam $25.0\ \text{cm}^3$:

Ini adalah dasar dari titrasi, di mana Anda menemukan konsentrasi tak diketahui dengan mereaksikannya dengan larutan yang konsentrasinya sudah Anda ketahui.

Angka penting

Berikan jawaban Anda dengan jumlah angka penting yang masuk akal — biasanya sesuai dengan data dalam soal. Jangan tulis lebih banyak digit daripada yang didukung oleh data, dan jangan bulatkan terlalu dini sehingga kehilangan akurasi.

• Ubah volume ke $\text{dm}^3$ sebelum menggunakan konsentrasi ($25.0\ \text{cm}^3 = 0.0250\ \text{dm}^3$); kekurangan $\div 1000$ adalah kesalahan titrasi yang paling umum.
• Gunakan angka penyetaraan sebagai perbandingan mol antar spesies — jangan pernah gunakan nilai $M_r$.
• Rumus empiris: bagi setiap massa/persentase dengan $A_r$, lalu bagi dengan nilai terkecil, kemudian skala ke bilangan bulat; gunakan $M_r$ untuk mencapai rumus molekuler.
• Untuk gas pada r.t.p. gunakan $\text{volume} = \text{moles} \times 24\ \text{dm}^3$; kutip persamaan yang Anda gunakan setiap kali.
• Berikan jawaban dengan angka penting yang sama dengan data (biasanya 3) dan selalu sertakan satuan.