Bab 1 Kimia

BAB I

STOIKIOMETRI DAN NERACA MASSA

I. STOIKIOMETRI

I.1.   MASSA ATOM DAN MOLEKUL

Massa Atom

            Atom adalah partikel yang terkecil dari suatu unsur yang masih mempunyai sifat-sifat seperti unsur tersebut, karena atom itu sangat kecil maka tidak dapat ditimbang. Sesuai dengan hal tersebut maka untuk menyatakan massanya dipakai satuan massa atom (sma).

            Pertama kalinya massa atom dapat ditentukan dengan membandingkan massa atom tersebut dengan massa atom hidrogen.

Pada tahun 1961, IUPAC ( International Union of Pure and Applied Chemistry ) menentukan unsur carbon dengan isotof 12 (¹²C) sebagai standar satuan massa atom.

            1 sma =1/12  x  massa satu atom ¹²C

Massa atom ialah bilangan yang menyatakan perbandingan massa suatu unsur dengan satu per duabelas massa satu atom ¹²C.

Massa Molekul

            Massa molekul adalah bilangan yang menyatakan perbandingan massa satu molekul suatu senyawa dengan 1/12 massa satu atom ¹²C.

           

Massa molekul disebut juga massa Rumus atau massa Formula. Massa molekul sama dengan jumlah massa molekul unsur-unsur penyusunnya.

Contoh  :  Berapa massa molekul glukosa

                 ( C₆ H₁₂ O₆ )  jika massa atom

                 C = 12  ;     O = 16 ;    dan    H = 1

Penyelesaian  :   Masa molekul C₆ H₁₂ O₆

                        =  ( 6 x 12 )  +  ( 12 x 1 )  +  ( 6 x 16 )

                        =  72  +  12  +  96

                        =  180

Konsep Mol

Telah diterangkan dimuka bahwa atom-atom atau molekul-molekul itu adalah sangat kecil. Oleh sebab itu tidak mungkin satu atom suatu unsur atau satu molekul suatu zat itu harus ditimbang dengan timbangan yang ada pada laboratorium.

Maka untuk memudahkan tugas-tugas di laboratorium maka diperlukan konsep mol.

Satu mol suatu unsur adalah banyaknya gram unsur itu yang sesuai dengan massa atomnya.

Contoh :   MA  Al = 27

                 Jadi 1 mol Al = 27 gram

Satu mol suatu senyawa adalah banyaknya gram  yang sesuai dengan massa rumusnya.

Contoh :  MR    H₂O = 18

                Jadi 1 gmol H₂O  =  18 gram

      untuk unsur

      untuk senyawa

Contoh :

            4 gr Ca  =    mol  =   mol  =  0,1 mol

            0,365 gr HCl  =  mol  =    mol  =  0,01 mol

I.2.  REAKSI KIMIA

Peristiwa kimia terjadi apabila suatu zat berubah menjadi zat baru yang sifat-sifatnya berbeda dengan sifat-sifat semula.

Hal-hal yang penting pada reaksi kimia

1.      Perbandingan koefisien zat-zat yang bereaksi atau hasil reaksinya menunjukkan juga perbandingan mol dari zat-zat yang bereaksi.

2.      Koefisien reaksi biasanya ditulis dengan bilangan bulat didepan molekul

3.      Dalam penyusunan molekul, maka ion-ion positif ditulis didepan, sedangkan ion-ion negatif dibelakang.

Teknik mengisi koefisien reaksi

Secara perkiraan

Contoh  :  H₂ + O₂              H₂O

Perhatikan :  atom H sudah sama banyak

                     atom O belum sama, maka O sebelah kiri kali ½  à H₂ + ½ O  à  H₂O

                     semua koefisien dibalikkan dengan 2, sehingga didapat  2H₂ + O₂ à 2H₂O

secara persamaan  ( untuk reaksi yang panjang )

Contoh :  P₄ + HNO₃ + H₂O  --- >  NO + H₃PO₄

               a P₄ + b HNO₃ + cH₂O  --- >  d NO + e H₃PO₄

Perhatikan  :

   Unsur                       Ruas kiri                      Ruas kanan

1.      P                                 4a               =                  e

2.      H                           b + 2c             =                3e

3.      N                                 b                =                  d

4.      O                            3b + c             =             4e + d

Misalkan harga  a = 1

Maka dari persamaan (1)                     4a = e

                                                            4 * 1 = e                      e = 4

            dari pers.  (2)                           b + 2e = 3e

                                                            b + 2c = 3 x 4

                                                            b + 2c = 12  …… (pers.5)

            dari pers.  (4)                           3b + c = 4e + d

                                                            3b + c = 4 x 4 + d

                                                            3 b + c = 16 + d  ….. (pers.6)

            dari pers. (5) & (6)                  b + 2c = 12

                                                            6b + 2c = 32 + 2d  _

- 5b + 0 = - 20 – 2d

                                                              5b        = 20 + 2d

            dari pers.  (3)  b = d                5b  =  20 + 2d

                                                            3b  =  20

                                                  b  = 

                                                jadi  d  =

dari pers. (5)                            b + 2c = 12

                                                20/3 + 2c = 12

                                                            2c = 12 –

                                                                 = 

                                                                 = 

                                                            C  = 

Jadi  P₄ +   HNO₃ +   H₂O          NO + 4 H₃ PO₄

     3 P₄  +  20 HNO₃  +   8 H₂O           20 NO + 12 H₃PO₄

I.3.  HUKUM DASAR ILMU KIMIA

Dalam perhitungan-perhitungan yang menyangkut peristiwa kimia, maka diperlukan hukum-hukum Dasar Ilmu Kimia antara lain :

1.      Hukum Kekekalan Massa ( Lavoiser )

2.      Hukum Perbandingan Tetap ( Proust )

3.      Hukum Perbandingan Berganda ( Dalton )

4.      Hukum Perbandingan Volume ( Gay Lussac )

5.      Hukum Avogadro ( Avogadro )

I.3.1.  Hukum Kekekalan Massa

 Menurut Lavoiser : Pada setiap peristiwa kimia massa zat yang bereaksi sama dengan massa zat yang dihasilkan.

Sebelum  menghitungnya  harus  dihitung  dulu persamaan reaksinya sehingga dapat ditentukan koefisien dan massanya.

Contoh :

1.      Ditimbang 56 gram besi (Fe), direaksikan dengan 32 gram belerang (S), berapa gram FeS yang dihasilkan ?

Berat atom Fe = 56 ;  S = 32

Penyelesaian :  Fe + S           FeS

                  1 mol Fe   1 mol S       1 mol FeS

                  56 gr Fe    32 gr S       88 gr FeS

                  jadi massa FeS yang terbentuk = 88 gr

2.      Dalam reaksi pembakaran Zn, berapa gram oksigen diperlukan dan berapa produk yang dihasilkan bila banyaknya Zn yang dibakar adalah 130 gram.

Berat atom Zn = 65 ;    O = 16

Penyelesaian :        2 Zn + O₂                                2 Zn O

                           2 mol Zn   1 mol O₂                   2 mol  Zn O

                           2 * 65 gr Zn    2 * 16 gr O₂        2 * (65 + 16) gr  Zn O

                           130 gr Zn     32 gr O₂                 162 gr Zn O

Bagaimana untuk 100 gr Zn yang dibakar dengan oksigen ?

3.      Berapa gram kalium hidroksida yang dibutuhkan supaya bereaksi sempurna dengan 9,8  gram asam sulfat dan berapa gram kalium sulfat yang terjadi dari reaksi ini ?

Berat atom                   K = 39  ;               H = 1  ;            O = 16  ;          S = 32

Penyelesaian :        2 KOH + H₂SO₄            K₂SO₄ + 2 H₂O

                  H₂SO₄ = 9,8 gram  *    =  0,1 mol

                  KOH yang dibutuhkan  =  2 * 0,1 mol  x    =  11,2 gram

K₂SO₄ yang dihasilkan = 0,1 mol  x     =  17,4 gram

H₂O yang dihasilkan  =  2 * 0,1  mol  x     =  3,6 gram

I.3.2.  Hukum Perbandingan Tetap

          Proust mengatakan : Perbandingan massa unsur-unsur dalam tiap-tiap senyawa adalah tetap atau pada setiap senyawa kimia perbandingan berat massa unsur-unsur penyusunnya tetap.

Contoh :

1.      Berapa perbandingan massa unsur H dan O dalam senyawa H₂O.

Penyelesaian :  Perbandingan massa H : O  =  2 : 16

                                                                      =  1 : 8

2.      Berapa kadar Fe yang terdapat dalam 132 gram FeS.

Berat atom Fe = 56 dan S = 32

Penyelesaian :

            Kadar Fe  =    x berat FeS

                             =    *  132 gr  =  84 gr Fe

            Kadar Fe dalam %  =    *  100 %

                                            =  63,63 %

            Kadar S  =    *  berat FeS

                           =    *  132 gr  =  48 gram S

            Kadar  S dalam %  =    x  100 %

                                           =  36,37 %

I.3.3.  Hukum Kelipatan Perbandingan

    Menurut Dalton : Bila dua unsur dapat membentuk dua macam senyawa atau lebih, maka perbandingan massa unsur yang ada dalam tiap-tiap senyawa tadi berbanding sebagai bilangan mudah dan bulat.

Contoh :

1.      Unsur H dan O dapat membentuk dua senyawa yaitu :  H₂O dan H₂O₂ ; maka berapa perbandingan massa unsur H dalam senyawa H₂O dan H₂O₂.

Penyelesaian :   H₂O               H : O  =  2 : 16  =  1 : 8

                          H₂O₂              H : O  =  2 : 32  =  1 : 16

Perbandingan massa H dalam H₂O dan H dalam H₂O₂ adalah 2 : 1

Perbandingan massa O dalam H₂O dan O dalam H₂O₂ adalah 1 : 2

2.      Diketahui dua senyawa dari Nitrogen dan Oksigen yaitu N₂O dan NO, maka berapa perbandingan berat atom O dalam N₂O dengan O dalam NO

Penyelesaian :    I.   N₂O         N : O  =  28 : 16

                         II.   NO          N : O  =  14 : 16

                           O_I  :  O_II  =  1 : 2

I.3.4.  Hukum Perbandingan Volume

    Menurut Gay Lussac : Volume gas-gas yang bereaksi (atau hasil reaksi) bila diukur pada temperatur dan tekanan yang sama akan berbanding sebagai bilangan mudah dan bulat.

Contoh :      H_{2 (g)}  +  ½ O_{2 (g)}             H₂O_(g)

Dari hasil percobaan Gay Lussac, bahwa volume gas H₂ : O₂ dalam reaksi adalah  10 lt : 5 lt = 2 : 1

Kesimpulan :   Perbandingan volume gas-gas yang bereaksi sesuai dengan

      perbandingan koefisien reaksinya.

Contoh :

 Bagaimana perbandingan volume dari reaksi gas-gas berikut ini :

       C₃ H₈  +  5O₂               3 CO₂  +  4 H₂O                                                                  

      Perbandingan volumenya adalah

            C₃ H₈  :  O₂  :  CO₂  :  H₂O  =  1  :  5  :  3  :  4

Contoh :

Direaksikan 15 ml gas acetilin (C₂H₄) dengan 15 ml gas O₂ pada temperatur dan tekanan yang sama.

Berapa volume gas-gas, jika

a.       temperatur dibawah 100^oC

b.      temperatur diatas 100^oC

Penyelesaian :

            C₂ H_{4 (g)}  +  3 O_{2 (g)}                  2 CO₂  +  2 H₂O

               15 ml           15 ml

            C₂ H₄  :  O₂  :  CO₂  :  H₂O  =  1  :  3  :  2  :  2

Untuk 15 ml C₂ H₄ memerlukan O₂  =    *  15 ml

                                              =  45 ml

Hal ini tidak mungkin karena yang tersedia hanya 15 ml.

Hingga C₂ H₄ yang diperlukan hanya   *  15 ml  =  5 ml

Berarti C₂ H₄ kelebihan           =  (15 – 5) ml

                                                = 10 ml

Volume  O₂  =  15 ml

     C₂ H₄  yang bereaksi  =    *  15 ml  =  5 ml

     C₂ H₄ sisa  =  (15 – 5) ml

                       =  10 ml

CO₂ yang terbentuk  =    *  15 ml

                             =  10 ml

H₂O yang terbentuk  =    *  15 ml

                                  =  10 ml

a.       Temperatur dibawah 100^oC, H₂O dalam keadaan cair

Hingga volume gas total adalah :

10 ml C₂ H₄  +  10 ml CO₂  =  20 ml campuran gas

b.      Temperatur diatas 100^oC, H₂O dalam keadaan gas

Volume total gas  =  10 ml C₂ H₄  +  10 ml CO₂  +  10 ml H₂O  =  30 ml

I.3.5.  Hukum Avogadro

          Avogadro mengatakan : Pada temperatur, tekanan dan volume yang sama dari semua gas mengandung jumlah molekul yang sama.

Berdasarkan ketentuan konsep mol yaitu :

1 mol zat = 6,023 * 10²³ buah partikel

1 mol gas = 6,023 * 10²³ buah molekul gas

Maka : Jumlah  molekul  yang  sama  dari  setiap  gas  akan  mempunyai jumlah mol

yang sama bila diukur pada tekanan dan temperatur yang sama.

Kesimpulan : Banyaknya  mol  yang  sama dari semua gas mempunyai volume yang

               sama, jika diukur pada keadaan (p,t) yang sama.

Contoh :    Diketahui berat atom H = 1 ;  O = 16 ;  C = 12

                  Pada temperatur dan tekanan yang sama masing-masing gas H₂, gas CH₄

dan gas O₂ mempunyai massa 4 gram.

Ditanyakan :  gas mana yang mempunyai mol paling besar ?

mol H₂  =    =  2 mol

mol CH₄  =    =  0,25 mol

mol O₂  =    =  0,125 mol

         jumlah mol H₂  >  mol CH₄  >  mol O₂

Volume 1 mol gas

            Dalam keadaan standar ( p = 1 atm ;  t = O^oC )

1 liter gas O₂  =  1,429 gram

Massa 1 mol O₂  =  32 gram

Volume 1 mol O₂  =    *  1 liter

                              =  22,4 liter

Jadi pada STP 1 mol O₂  =  22,4 liter

Berdasarkan hukum Avogadro, volume 1 mol setiap gas pada keadaan STP

(O^oC, 1 atm) =  22,4 liter

Contoh :

1.      Berapa volume 11 gram CO₂ pada keadaan STP jika diketahui BM CO₂ = 44

Penyelesaian :  Jumlah mol 11 gram CO₂  =    mol  =    mol

Jadi volume 11 gram CO₂  =    *  22,4 liter

                                            =  5,6 liter

2.      Berapa massa dari 5,6 liter gas O₂ bila BM O₂ = 32 dalam keadaan standar

Penyelesaian :  Pada STP volume 1 mol gas = 22,4 liter

                         Jumlah mol O₂ =    *  1 mol = 0,25 mol

                         Massa O₂ = 0,25  *  32 gram  =  8 gram

Jika gas bukan pada keadaan standar, maka volume gas dicari dengan menggunakan hukum Boyle Gay Lussac dengan rumus :

      Contoh :  Berapa massa 5,6 liter gas O₂ jika diukur pada 30^oC dan 2 atm

               =     

                                                             =  

                                                             =  10 liter

        Jumlah mol O₂  = 

                                 =    0,45 mol

        Massa O₂  =  0,45 * 32 gr

                          =  14,3 gram

II.  NERACA MASSA

II.1. REAKSI TIDAK SEMPURNA

            Pada reaksi kimia sangat sulit untuk mendapatkan reaksi yang stoichiometris, maka reaksi kimia biasanya berlangsung tidak sempurna.

Untuk reaksi tidak sempurna dikenal istilah-istilah :

a.      Limiting reactant adalah reaktan dalam jumlah stoichiometris terkecil.

b.      Excess reactant adalah reaktan berlebih dari limiting reactant.

       

c.       Konversi adalah fraksi umpan yang terkonversi menjadi hasil.

d.       Derajad kesempurnaan reaksi adalh konversi dari limiting reactant.

Contoh :

Antimony dapat dihasilkan dengan memanaskan serbuk stibnite dengan bijih besi didalam reaktor :

            Sb₂S₃ + 3 Fe                2 Sb + 3 FeS

Jika 0,600 kg stibnite dan 0,250 kg besi dipanaskan bersama-sama didalam reaktor memberikan 0,200 kg metal Sb.

Hitung :          

a). Limiting reactant (reaktan pembatas)

b). Persen excess reactant

c). Derajad kesempurnaan reaksi

Penyelesaian :

            Komponen                  Kg                   MR                  gmol

               Sb₂S₃                        0,600               339,7               1,77

               Fe                             0,250               55,8                 4,48

               Sb                             0,200               121,8               1,64

               FeS                                                   87,9    

a)      Untuk mendapatkan reaktan pembatas dapat dilihat dari persamaan reaksi kimia ;

jika hanya 4,48 gmol (tidak mungkin) 4,48 gmol Fe membutuhkan   = 1,49 gmol Sb₂S₃ (mungkin). Jadi limiting reantant nya adalah Fe.

b)      Excess reactantnya adalah Sb₂S₃ 

% excess Sb₂S₃  =    * 100%  =  18,8%

c)      Derajad kesempurnaan reaksi 1,64 gmol Sb membutuhkan Fe  =    * 1,64 gmol

                                                                                                          =  2,46 gmol

       Derajad kesempurnaan reaksinya  =    =  0,55

II.2. PERSAMAAN NERACA BAHAN

            Persamaan neraca bahan ini dibuat dengan batasan tertentu (boundary), sehingga membutuhkan suatu sistem :

 

Rumus : massa masuk = massa keluar + massa yang terakumulasi untuk keadaan steady state (tetap) è akumulasi = 0

	Laju massa masuk  =  laju massa keluar

 

Neraca massa merupakan penerapan dari prinsip kebekalan massa pada satuan proses.

Penentuan neraca bahan ini penting untuk :

-          merancang alat

-          merancang proses

-          mengevaluasi prestasi alat/ proses

Neraca massa dibagi 2 yaitu : - tanpa reaksi kimia

                                                - dengan reaksi kimia

NERACA MASSA TANPA REAKSI KIMIA

Pengeringan  (Drying)

Pulp basah mengandung 715 air setelah pengeringan didapatkan 60% air teruapkan.

Hitung :          

a). Komposisi pulp kering

b). Massa air yang teruapkan per kg pulp basah

Penyelesaian :

 

Dasar perhitungan  :  1 kg pulp basah

            H₂O yang teruapkan = 0,6 (0,71) = 0,426 kg

Neraca H₂O  =  H₂O dalam Dried Pulp  =  H₂O dalam wet pulp – H₂O yang teruapkan

                                                                =  0,71 – 0,426

                                                                =  0,284 kg

Neraca massa

            Masuk                                                 Keluar

            Pulp = 0,29 kg                         Dried pulp  :   pulp    = 0,29 kg

            HO  = 0,71 kg                                                   H₂O = 0,284 kg

                        1  kg                            H₂O yang teruapkan = 0,426 kg

                                                                                                   1  kg

Kristalisasi

            Suatu tangki berisi 10.000 kg larutan jenuh NaHCO₃ dalam air pada 60^oC. Diinginkan 500 kg kristal NaHCO₃ dari larutan tersebut.

Berapa temperatur larutan harus diturunkan ?

Data :

            Temperatur (^oC)                      Kelarutan gr NaHCO₃/100 gr H₂O

60                                                                                                                    16,4

50                                                                                                                    14,45

40                                                                                                                    12,7

30                                                                                                                    11,1

20                                                                                                                    9,6

10                                                                                                                    8,15

Penyelesaian :

Dasar perhitungan : 10.000 kg larutan jenuh pada 60^oC

Komposisi larutan awal       = 

 

                                  =  14,1%  NaHCO₃

  mula-mula

Komposisi larutan akhir : gram NaHCO₃ per 100 gr H₂O

           

Jadi temperatur harus didinginkan :

            30^oC –   (10^oC)  =  27^oC

Distillation 

 

Penyelesaian :

            Dasar perhitungan  :  1000 kg umpan

                        P = 0,1 * 1000 = 100 kg

            Kg umpan masuk    – Kg distillate keluar  =  kg bottom keluar Persen

E_tOH balance  0,10 (1000) – 0,60 (100)                 =  40                          4,4

H₂O balance    0,90 (1000) – 0,40 (100)                 =  860                      95,6

900                                            100

Neraca massa dengan reaksi kimia

Bahan bakar gas terdiri dari 80% C₂H₆ dan 20% O₂ dibakar dengan oksigen menggunakan udara 300% excess (berlebih)

80% gas ethane terbakar menjadi CO₂

10% gas ethane terbakar menjadi CO  dan

10% gas ethane tidak terbakar

hitung komposisi gas keluar !

Penyelesaian :

Dasar perhitungan : 100 gmol bahan bakar gas

                        C₂H₆ +    O₂                        2 CO₂ + 3 H₂O

                        C₂H₆ +    O₂                        2 CO + 3 H₂O

 

O₂ yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna = 3,5 * 80 gmol

        = 280 gmol

O₂ yang dibutuhkan dari udara untuk pembakaran sempurna = 280 – 20

                                                                                                  = 260 gmol

O₂ masuk dari udara  = 3 * 260 gmol

                                  = 780 gmol

N₂ masuk dari udara  =    * 780 gmol

                                  = 2934,285714 gmol

Komponen keluar

CO₂  = 0,8 *   * 80 gmol  = 128 gmol

CO  = 0,1 *   * 80 gmol  = 16 gmol

H₂O = 0,8 *   * 80 + 0,1 *   * 80  = 216 gmol

Menghitung O₂ sisa :

O₂ masuk = 780 + 20 = 800 gmol

O₂ yang dibutuhkan untuk reaksi I   = 0,8 * 3,5 * 80 = 224 gmol

O₂ yang dibutuhkan untuk reaksi II  = 0,1 * 2,5 * 80  = 20 gmol

Total O₂ yang dibutuhkan untuk reaksi                      = 244 gmol

O₂ sisa yang tidak terbakar = 800 – 244 = 556 gmol

                                                        gmol

Komponen             fuel              udara             exhaust gas              persen exhaust gas

   C₂H₆                     80                                              8                                0,21

   O₂                         20                780                     556                             14,41

   N₂                                            2934,3               2934,3                           76,05

   CO₂                                                                     128                               3,32

   CO                                                                        16                                0,41

   H₂O                                                                     216                                5,60

                              100                                        3858,3                              100

Neraca massa

    Masuk                                 Keluar

C₂H₆  =    2400    gr                C₂H₆  =      240   gr

O₂     =    5.600    gr                O₂      = 17.792    gr

N₂     =  82.160,2 gr                N₂      =  82.160,2 gr

            110.160,2 gr                CO₂   =     5.632  gr

                                                CO     =        448  gr

                                                H₂O    =    3.888   gr

                                                             110.160,2 gr