Home / Kimia / stoikiometri

Stoikiometri

  • 14 min read

Penulis : Yoga Romdoni, mahasiswa FMIPA UI Jurusan Kimia

Pengertian stoikiometri

Stoikiometri adalah perhitungan jumlah relatif reaktan dan produk dalam reaksi kimia. Stoikiometri didasarkan pada hukum kekekalan massa di mana total massa reaktan akan sama dengan total massa produk. Jika jumlah reaktan diketahui, maka jumlah produk dapat dihitung.

Massa Atom Relatif (Ar) dan Massa Molar (Mr)

Massa atom didefinisikan sebagai massa suatu atom dengan satuan atomic mass units (amu). Satu satuan massa atom setara dengan satu per dua belas atom karbon-12.  Karbon-12 adalah isotop karbon yang memiliki enam proton dan enam neutron.  Pengaturan massa atom karbon-12 pada 12 amu memberikan standar untuk mengukur massa atom unsur-unsur lainnya.

Namun, sebagian besar unsur secara alami (termasuk karbon) memiliki lebih dari satu isotop. Sehingga, kita mengukur massa atom suatu dengan massa rata-rata dari campuran atau disebut sebagai massa atom relatif (Ar).

massa atom relatif (Ar

Sebagai contoh atom Cu memiliki dua buah isotop yaitu 63Cu dengan kelimpahan 69,09% dan 65Cu dengan kelimpahan 30,91%. Masing-masing isotop memiliki massa atom sebesar 62,93 amu dan 64,9278 amu. Untuk menentukan massa rata-rata atom Cu maka dapat dihitung sebagai berikut

(0,6909)(62,93 amu) + (0,3091)(64,9278 amu) = 63,55 amu

Karena massa 1 atom C-12 adalah 12 amu. Maka nilai massa atom rata-rata/relatif Cu akan sama nilainya dengan Ar Cu. Sehingga Ar Cu adalah 63,55 amu.

Massa molekul merupakan jumlah massa atom dalam molekul. Dari massa molekul, kita dapat menentukan massa molar suatu senyawa. Massa molar (Mr) suatu senyawa (dalam gram) secara numerik sama dengan massa molekulnya (dalam amu). 

Sebagai contoh air memiliki 2 atom hidrogen (Ar H = 1 amu) dan 1 atom oksigen (Ar O = 16 amu). Massa molekul air adalah (2 x Ar H) + (1 x Ar O) = 18,02 amu. Sehingga massa molarnya adalah 18,02 g setiap molnya.

Konsep Mol

  • Mol adalah satuan dari pengukuran sejumlah zat yang mengandung beberapa atom, molekul, atau partikel lain yang setara dengan 12 g (atau 0,012 kg) dari isotop karbon-12. Jumlah tersebut disebut dengan bilangan avogadro (NA) yaitu sebesar = 6,02 x 1023 partikel.
  • Mol dapat dihubungkan dengan beberapa hal yaitu jumlah partikel, massa, volume dan molaritas.

a. Mol dengan Jumlah Partikel

Untuk satu mol zat mengandung 6,02 x 1023 partikel sehingga hubungan mol dan jumlah partikel dapat dirumuskan dengan persamaan:

Mol dengan Jumlah Partikel

Sebagai contoh apabila dalam glukosa mengandung 0,5 mol. Jumlah partikel molekulnya yaitu 0,5 mol x 6,02 x 1023 partikel = 3,01 x 1023 molekul.

b. Mol dengan Massa

Hubungan mol dan massa suatu senyawa dapat dirumuskan dengan persamaan:

mol dengan massa

dengan massa dalam satuan gram dan massa molar atom atau senyawa (Ar/Mr) dalam satuan gram/mol. Sebagai contoh jika glukosa (C6H12O6) mengandung 2 mol dengan Ar H = 1, Ar C = 12, dan Ar O = 16, maka untuk mengetahui massanya maka terlebih dahulu mencari Mr dari C6H12O6.

Mr C6H12O6 = (6 x 12) + (12 x 1) + (6 x 16) = 180 gr/mol

Massa glukosa = 2 mol x 180 gr/mol = 360 gram.

c. Mol dengan Volume

Hipotesis Avogadro menjelaskan bahwa “semua gas yang memiliki volume yang sama akan memiliki jumlah molekul yang sama” sehingga dapat dikatakan bahwa setiap satu mol gas akan memiliki jumlah partikel dan volume yang sama. Volume per mol gas disebut sebagai volume molar (Vm).

Mol dengan Volume

dengan volume gas dalam liter, n adalah jumlah mol dan Vm adalah volume molar (liter/mol). Volume molar bergantung pada suhu dan tekanan. Beberapa keadaan yang dijadikan acuan dalam penentuan volume gas meliputi:

Keadaan Suhu Ruang : Keadaan suhu ruang terjadi pada suhu 25°C dan tekanan 1 atm dan biasa disebut sebagai RTP (Room Temperature and Pressure). Pada keadaan ini, volume molarnya adalah 24,4 L/mol. Hubungan mol dengan volume keadaan RTP yaitu sesuai dengan persamaan:

Mol dengan Volume

Keadaan Standar : Keadaan standar terjadi pada suhu 0°C dan tekanan 1 atm dan biasa disebut sebagai STP (Standard Temperature and Pressure). Pada keadaan ini, volume molarnya adalah 22,4 L/mol. Hubungan mol dengan volume keadaan STP yaitu sesuai dengan persamaan:

Keadaan Standar

Keadaan Suhu dan Tekanan Tertentu : Hubungan mol dengan volume pada suhu dan tekanan tertentu dapat dihitung dengan menggunakan persamaan gas ideal:

PV = nRT

dengan P merupakan tekanan gas (atm), R merupakan tetapan gas (0,082 L atm/mol K) dan T merupakan suhu (kelvin).

d. Mol dengan Molaritas

Molaritas merupakan jumlah mol zat terlarut dalam setiap liter larutan. Hubungan mol dengan molaritas larutan sesuai dengan persamaan:

molaritas larutan
Gambar 1. Hubungan mol dengan jumlah partikel, volume, massa dan molaritas
Gambar 1. Hubungan mol dengan jumlah partikel, volume, massa dan molaritas

Komposisi Senyawa

Persen komposisi merupakan persentase setiap unsur yang ada dalam zat murni. Persen komposisi berfungsi untuk mengetahui kemurnian atau kadar suatu sampel senyawa dengan cara menghitung berapa persen massa tiap komposisi atom dari total massa senyawa. Secara matematis persen komposisi atom A dari suatu senyawa AxBy dapat dihitung dengan persamaan:

persen komposisi atom

Dimana x merupakan jumlah atom A dalam senyawa. Sebagai contoh, dalam 1 mol hidrogen peroksida (H2O2) terdapat dua atom H dan dua atom O. Ar dari H dan O masing-masing yaitu 1 dan 16 gram/mol. Sehingga Mr H2O2 adalah (2×1)+(2×16)= 34 gram/mol. % komposisi dari masing-masing atom meliputi:

atom

Rumus Empiris dan Rumus Molekul

Rumus empiris menyatakan rumus kimia dengan perbandingan jumlah atom terkecil sedangkan rumus molekul merupakan rumus kimia yang menyatakan jumlah atom penyusun senyawa sebenarnya. Misalnya, suatu molekul memiliki rumus molekul C2H6 maka rumus empirisnya adalah CH3.

(Rumus empiris)n = Rumus molekul

dengan n merupakan massa molekul relatif (Mr). Rumus empiris dapat digunakan untuk menunjukkan rumus molekul jika tidak diketahui Mr senyawanya. Misalnya, CH3 dapat dikatakan sebagai rumus molekul jika Mr tidak diketahui. Namun jika Mr diketahui, misalnya 45, maka CH3 merupakan rumus empiris dan rumus molekulnya adalah C3H9.

Dalam beberapa kasus, kita dapat menggunakan persen komposisi sampel untuk menentukan rumus empirisnya, yang kemudian dapat digunakan untuk menentukan rumus molekulnya. Prosedur untuk menghitung rumus empiris suatu senyawa yaitu

  1. Persen massa tiap atom dikonversi dalam bentuk gram dan dibagi dengan Ar
  2. Mol tiap elemen dibagi dengan mol terkecil
  3. Rasio mol tiap elemen dimasukkan dalam jumlah tiap atom dan didapatkan rumus empiris

Sebagai contoh, asam askorbat (vitamin C) mengandung 40,92% karbon, 4,58% hidrogen dan 54,50% oksigen. Untuk menghitung rumus empirisnya, maka mula-mula persen komposisi tersebut harus dikonversi terlebih dahulu ke bentuk massa dan dicari molnya. Jika dianggap terdapat 100 gram asam askorbat, maka massa setiap komposisi yaitu 40,92 gram karbon, 4,58 gram hidrogen dan 54,50 gram oksigen.

massa setiap komposisi

Kemudian bagi setiap mol dengan mol terkecil. Nilai H yang berbentuk koma harus diubah dalam bentuk bilangan bulat. Trial and error dilakukan dengan mengalikan dengan suatu bilangan atau membulatkan perbandingan. Setelah dikali dengan 3 didapatkan 3,99 yang dapat dibulatkan menjadi 4.

stoikiometri 1

Perbandingan C : H : O = 1 : 1,33 : 1 (awal)

Perbandingan C : H : O = 2 : 2,66 : 2 (setelah dikali 2)

Perbandingan C : H : O = 3 : 3,99 : 3 (setelah dikali 3)

Sehingga didapatkan rumus empiris dari asam askorbat adalah C3H4O3.

Persamaan Reaksi

Dalam suatu reaksi kimia, proses di mana suatu zat diubah menjadi satu atau lebih zat baru digambarkan dalam bentuk persamaan reaksi. Sebagai contoh proses pembentukan amonia terjadi akibat reaksi antara gas hidrogen dengan gas nitrogen sesuai dengan persamaan reaksi berikut:

3H2(g) + N2(g) → 2NH3(g)

Berdasarkan persamaan reaksi tersebut dapat diambil informasi yaitu

  1. Gas hidrogen dan gas nitrogen merupakan reaktan (senyawa awal) dan amonia merupakan produk (senyawa yang terbentuk). 
  2. Tanda panah menunjukkan arah reaksi. Tanda panah ke sebelah kanan menunjukkan sejumlah reaktan akan diubah membentuk produk.
  3. Sebagai tambahan informasi dalam reaksi kimia biasanya ditambahkan sejumlah simbol s, g, l dan aq yang berturut-turut menunjukkan sifat fisik zat padat, gas, cair, dan larutan. Sehingga dalam reaksi tersebut nitrogen, hidrogen dan amonia memiliki fasa gas.
  4. Bilangan yang berada didepan spesi reaktan maupun produk disebut sebagai koefisien reaksi.

Dalam persamaan reaksi, suatu reaksi perlu dilakukan penyetaraan koefisiennya. Penyetaraan koefisien reaksi ini berhubungan dengan hukum lavoiser yaitu massa suatu zat sebelum dan sesudah reaksi adalah tetap. Beberapa tahapan untuk menyetarakan koefisien reaksi (dengan contoh reaksi pembakaran sempurna n-heptana (C7H16)) adalah:

  1. Identifikasi semua reaktan dan produk dan menuliskan masing-masing rumus senyawanya di sisi kiri dan kanan persamaan.
  • Reaktan : C7H16 dan O2
  • Produk : CO2 dan H2O
  • Reaksi : C7H16 (g) + O2 (g) → CO2(g)+ H2O(g)

2. Tetapkan salah satu spesi (biasanya spesi yang kompleks) dengan koefisien disamadengankan satu.

Pada reaksi tersebut, spesi yang kompleks adalah C7H16 sehingga koefisiennya dimisalkan satu.

3. Setarakan atom yang terkait langsung dengan spesi yang diberikan koefisien satu. Pada reaksi tersebut, C7H16 memiliki koefisien satu dengan jumlah atom C sebanyak 7 dan atom H sebanyak 16. Sehingga koefisien CO2 menjadi 7 dan koefisien H2O menjadi 8 (karena telah memiliki 2 atom hidrogen pada air).

Reaksi : C7H16 (g) + O2 (g) → 7CO2(g)+ 8H2O(g)

Atom karbon dan hidrogen telah seimbang. Namun terdapat 22 atom oksigen pada sisi kanan (14 atom oksigen dari CO2 dan 8 atom oksigen dari H2O). Sehingga gas oksigen dapat disetarakan dengan mengalikannya dengan 11. Sehingga reaksinya adalah

Reaksi : C7H16 (g) + 11O2 (g) → 7CO2(g)+ 8H2O(g)

Stoikiometri Reaksi dan Reaksi Pembatas

Stoikiometri reaksi sangat diperlukan dalam mengestimasi banyaknya zat yang terbentuk dalam suatu reaksi. Estimasi tersebut dapat dilakukan dengan pendekatan metode mol. Pendekatan ini menjelaskan bahwa “koefisien stoikiometri dalam suatu persamaan reaksi dapat diinterpretasikan sebagai jumlah masing-masing mol”. Sebagai contoh, jika diketahui 16 gram gas hidrogen direaksikan membentuk ammonia. Berapa gram gas ammonia yang terbentuk? Reaksi pembentukan ammonia adalah

3H2(g) + N2(g) → 2NH3(g)

Mula-mula mencari mol dari gas hidrogen dengan persamaan:

mencari mol dari gas hidrogen

Perbandingan mol H2 akan sebanding dengan koefisiennya, sehingga mol nNH3 dapat dicari dengan:

mol nNH3

Massa ammonia yang didapatkan yaitu 5,29 mol x 17,03 gram/mol = 90,1 gram

Dalam percobaan, jumlah reaktan yang dicampurkan dengan reaktan lainnya biasanya memiliki jumlah yang tidak tepat dengan koefisien persamaan reaksi. Pada umumnya sejumlah reaktan yang berlebih diharapkan menghasilkan produk dengan jumlah yang maksimal. Akibatnya, beberapa reaktan akan tertinggal pada akhir reaksi. Reaktan yang habis terlebih dahulu dalam suatu reaksi disebut pereaksi pembatas. Sehingga jumlah maksimum produk yang terbentuk tergantung pada seberapa banyak reaktan yang habis terlebih dahulu.

Sebagai contoh jika kita memiliki 4 mol karbon monoksida direaksikan dengan 6 mol gas hidrogen untuk membentuk metanol. Salah satu cara untuk menentukan dari dua reaktan tersebut yang merupakan reagen pembatas adalah dengan masing-masing mol dibagi dengan koefisien reaktan dan dicari mol yang paling kecil.

CO(g) + 2H2(g) → CH3OH(g)

Stoikiometri 2

Karena H2 menghasilkan jumlah CH3OH yang lebih kecil, maka H2 merupakan pereaksi pembatas pembatas dan CO adalah reagen berlebih.

Pada awal reaksi, ada enam molekul H2 dan empat molekul CO. Pada akhirnya, semua molekul H2 habis dan hanya satu molekul CO yang tersisa
Gambar 2. Pada awal reaksi, ada enam molekul H2 dan empat molekul CO. Pada akhirnya, semua molekul H2 habis dan hanya satu molekul CO yang tersisa.

Contoh Soal Latihan

  1. Kafein merupakan senyawa turunan dari alkaloid yang terkandung dalam kopi dan teh yang memiliki efek stimulus pada sistem saraf dan metabolisme. Dalam sebuah analisis kimia menunjukkan bahwa di dalam kafein mengandung 49,18% karbon, 5,39% hidrogen, 28,65% nitrogen, dan 16,68% oksigen berdasarkan massa, dan massa molar yang ditentukan secara eksperimental adalah 196 g/mol. Tentukan rumus empiris dan rumus molekul dari senyawa kafein tersebut.

Jawab

Misalkan dalam analisis tersebut menggunakan 100 gram sampel kafein, maka komponen dari kafein masing-masing yaitu 49,18 gram karbon, 5,39 gram hidrogen, 28,65 gram nitrogen, dan 16,68 gram oksigen. Kemudian tentukan mol masing-masing kompenen dan bagi dengan mol yang paling kecil.

Stoikiometri 3

Nilai yang berbentuk koma harus diubah dalam bentuk bilangan bulat. Nilai perbandingan yang dapat dibulatkan sehingga didapatkan perbandingan C : H : N : O = 4 : 5 : 2: 1. Oleh karena itu rumus empirisnya adaalah C4H5N2O.

(C4H5N2O)n = Rumus molekul

Untuk menentukan rumus molekul maka diperlukan Mr dari senyawa empiris untuk mendapatkan nilai n nya. Mr rumus empirisnya yaitu (4×12.011g/mol) + (5×1.0079g/mol) + (2×14.0067g/mol) + (1×15.9994 g/mol) = 97,096 g/mol.

97,096 n = 196

n = 2,05

Sehingga rumus molekulnya yaitu (C4H5N2O)2 = C8H10N4O2

2. Etil asetat (CH3CO2C2H5) adalah pelarut untuk menghapus cat kuku dan banyak digunakan untuk menghilangkan kafein pada biji kopi dan daun teh. Senyawa ini dibuat dengan mereaksikan etanol (C2H5OH) dengan asam asetat (CH3CO2H) dengan bantuan katalis asam. Diketahui terdapat sebanyak 10,492 gram asam asetat dan 7,893 gram etanol. Tentukan pereaksi pembatas dan tentukan berapa volume etil asetat yang dihasilkan jika massa jenis etil asetat adalah 0,9003 gr/ml?,

Jawab:

Reaksi Pembuatan Etil Asetat : C2H5OH(l)+CH3COOH(aq)→CH3CO2C2H5(aq)+H2O(l)

Stoikiometri 4

Perbandingan koefisien reaksi etanol dan asam asetat yaitu 1:1, sehingga pereaksi pembatasnya adalah etanol karena memiliki mol paling kecil sedangkan asam asetat merupakan reaktan berlebih.

Stoikiometri 5

3. H2SO4 dapat dibuat melalui reaksi sebagai berikut. SO2(g) + O2(g) + H2O(l) → H2SO4(aq) (belum setara). Sebanyak 40 gram SO2, 17,5 gram O2 dan 12,5 gram H2O (Ar H =1, O = 16 dan S = 32) direaksikan dalam wadah tertutup. Massa H2O yang tersisa adalah

Jawab:

Reaksi yang setara adalah 2SO2(g) + O2(g) + 2H2O(l) → 2H2SO4(aq)

Stoikiometri 5

Perbandingan koefisien SO2, O2 dan H2O yaitu 2 : 1 : 2, sehingga mol SO2 dan H2O dibagi dengan koefisiennya untuk menentukan 1 mol terkecil dan didapatkan bahwa pereaksi pembatasnya adalah SO2.

Stoikiometri 6

Massa H2O yang tersisa adalah 0,069 mol x 18 gr/mol = 1,242 gram.

Pertanyaan Umum

Apa yang dimaksud dengan pereaksi pembatas dan pereaksi berlebih?

Pereaksi pembatas (limiting reactant) adalah zat pereaksi yang habis bereaksi terlebih dahulu dan menjadi penentu jumlah produk yang dihasilkan sedangkan pereaksi berlebih (excess reactant) adalah zat pereaksi yang jumlahnya melebihi jumlah yang dibutuhkan.

Mengapa suatu persamaan reaksi perlu dilakukan penyetaraan koefisien?

Koefisien dalam persamaan reaksi yang seimbang atau setara memberikan gambaran jumlah mol reaktan dan produk dalam reaksi. Hal ini didasarkan dari hukum kekekalan massa. Jika setiap 1 mol mengandung jumlah partikel yang sama, maka perbandingan jumlah partikel sama dengan perbandingan mol. Sehingga koefisien reaksi merupakan perbandingan jumlah mol zat yang terlibat.

Apa yang disebut dengan reaktan dan produk?

Reaktan atau pereaksi adalah semua zat awal atau mula mula reaksi yang digambarkan berada disebelah kiri persamaan reaksi. Produk atau hasil reaksi adalah semua zat hasil reaksi yang digambarkan berada di sebelah kanan persamaan reaksi.

Daftar Pustaka

  • Brown, T.L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C.J., & Woodward, P. M. (2012). Chemistry: The Central Science. (12th Ed). Upper Saddler River, NJ: Pearson Prentice Hall
  • Chang, Raymond. (2010). Chemistry. (10th Ed). New York: McGraw-Hill.

Baca juga