Kimia Sekolah — Kelas 1 sampai 12 · Grades 1–12

13Kekekalan Massa dan Persamaan Reaksi Setara

Sebatang kayu gelondongan seberat dua kilogram terbakar di perapian. Pagi harinya, yang tersisa hanya beberapa puluh gram abu kelabu. Apakah hampir dua kilogram materi lenyap dalam semalam? Selama berabad-abad tidak seorang pun dapat menjawabnya. Jawabannya datang dari seorang ahli kimia yang memutuskan untuk menimbang segalanya — termasuk gas-gas yang tidak pernah terpikirkan untuk ditimbang orang.

Yang sudah kamu ketahui

Dalam reaksi kimia, pereaksi terpakai dan produk terbentuk; atom-atom pereaksi ditata ulang menjadi produk, tidak diciptakan dan tidak dimusnahkan (Bab 12). Rumus kimia seperti $\ce{H2O}$ mendaftar atom-atom sebuah molekul; angka di depannya, seperti pada $\ce{3H2O}$ , menghitung molekul (Bab 11).

Perapian keesokan paginya: sedikit abu adalah satu-satunya yang tersisa dari kayu-kayu gelondongan itu.

13.1 Massa itu kekal

Di laboratorium — Menimbang reaksi dalam labu tertutup

Guru menuangkan sedikit cuka ke dalam sebuah labu, dan soda kue ke dalam balon yang dipasang menutupi lehernya, lalu meletakkan semuanya di atas neraca: $212.4\,\mathrm{g}$ . Balon diangkat sehingga soda kue jatuh ke dalam cuka: campurannya berdesis dan balon menggembung oleh gas yang terbentuk. Neraca tetap menunjukkan $212.4\,\mathrm{g}$ . Reaksi yang sama dalam labu terbuka, tanpa balon, “kehilangan” massa: gasnya lolos ke ruangan.

Reaksi yang sama, ditimbang. Dalam labu tertutup massanya tidak berubah; dalam labu terbuka gasnya keluar dan neraca menunjukkan angka yang lebih kecil.

Definisi 13.1 (Kekekalan massa)

Yang disebut kekekalan massa adalah hukum yang menyatakan bahwa dalam reaksi kimia, massa total produk yang terbentuk sama dengan massa total pereaksi yang terpakai. Tidak ada yang hilang dan tidak ada yang diciptakan; materi hanya berubah bentuk.

Contoh 13.2 (Kayu gelondongan, ditimbang dengan benar)

Seandainya kayu yang terbakar dan oksigen yang diambilnya dari udara dapat ditimbang sebelumnya, lalu abu, karbon dioksida, dan uap air ditimbang sesudahnya, kedua jumlah itu akan sama. Abunya ringan karena sebagian besar produknya berupa gas yang naik melalui cerobong.

Sejarah — Lavoisier menimbang segalanya, 1770-an–1789

Antoine-Laurent Lavoisier menjadikan kebiasaan untuk menimbang setiap zat sebelum dan sesudah setiap reaksi, dalam bejana tertutup rapat agar tidak ada gas yang dapat keluar atau masuk. Ia menunjukkan bahwa logam bertambah massanya ketika berkarat atau terbakar, karena mengambil sesuatu dari udara — oksigen, yang ia namai — dan pada tahun 1789 menyatakan bahwa dalam reaksi tidak ada yang diciptakan dan tidak ada yang hilang. Istrinya, Marie-Anne Paulze Lavoisier, bekerja di sampingnya, mencatat percobaan-percobaannya, dan menggambar peralatannya untuk bukunya.

Antoine-Laurent Lavoisier dan Marie-Anne Paulze Lavoisier, karya Jacques-Louis David, 1788.

13.2 Mengapa massa kekal

Proposisi 13.3 (Atom kekal, maka massa kekal)

Dalam reaksi, atom-atom hanya ditata ulang: setiap atom pereaksi ditemukan lagi dalam produk. Setiap atom tetap memiliki massanya sendiri. Karena itu massa totalnya tidak dapat berubah.

Contoh 13.4 (Besi yang bertambah massanya)

Wol baja yang dibakar di atas neraca dalam cawan terbuka menjadi lebih berat: atom-atom besi telah bergabung dengan atom-atom oksigen yang diambil dari udara, dan oksida besi yang terbentuk seberat besi ditambah oksigen itu. Jika dibakar dalam stoples udara yang tertutup rapat di atas neraca, massa keseluruhannya tidak berubah: oksigen itu sudah berada di dalam stoples.

13.3 Persamaan reaksi

Definisi 13.5 (Persamaan reaksi)

Sebuah persamaan reaksi menuliskan reaksi dengan rumus-rumus: rumus pereaksi di kiri, dihubungkan dengan $+$ , sebuah anak panah, dan rumus produk di kanan. Setiap rumus boleh diawali sebuah angka. Persamaan itu disebut persamaan setara jika setiap jenis atom muncul sama banyak di kedua ruas.

Definisi 13.6 (Koefisien stoikiometri)

Angka yang ditulis di depan rumus dalam sebuah persamaan adalah koefisien stoikiometri rumus itu: angka itu menghitung molekul (atau partikel lain) spesies itu yang ikut serta. Koefisien 1 tidak ditulis.

Notasi 13.7 (Lambang wujud)

Huruf dalam tanda kurung sesudah rumus dapat menyatakan wujudnya: (s) padat, (l) cair, (g) gas. Jadi $\ce{H2O(l)}$ adalah air cair dan $\ce{H2O(g)}$ uap air.

Contoh 13.8 (Membaca persamaan)

\ce{CH4(g) + 2O2(g) -> CO2(g) + 2H2O(l)}

dibaca: satu molekul metana dan dua molekul oksigen bereaksi menghasilkan satu molekul karbon dioksida dan dua molekul air. Kiri: 1 C, 4 H, 4 O. Kanan: 1 C, 4 H, $2 + 2 = 4$ O. Persamaan itu setara.

13.4 Menyetarakan persamaan

Metode 13.9 (Menyetarakan persamaan)

Tuliskan rumus pereaksi dan produk yang benar. Jangan pernah mengubah rumus sesudahnya: mengubah $\ce{H2O}$ menjadi $\ce{H2O2}$ akan menggambarkan zat yang lain.
Hitung atom setiap jenis di setiap ruas.
Setarakan satu jenis atom demi satu dengan koefisien, dimulai dari atom yang hanya muncul dalam satu rumus di setiap ruas; biarkan hidrogen dan oksigen sampai terakhir.
Hitung lagi; ulangi sampai setiap jenis atom setara.
Pakailah bilangan bulat terkecil.

Contoh 13.10 (Hidrogen dan oksigen)

Belum setara: $\ce{H2 + O2 -> H2O}$ memiliki 2 O di kiri, 1 di kanan. Taruh 2 di depan $\ce{H2O}$ : sekarang ada 4 H di kanan, jadi 2 di depan $\ce{H2}$ :

\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}.

Periksa: 4 H dan 2 O di setiap ruas.

Contoh 13.11 (Besi terbakar dalam oksigen)

Besi dan oksigen menghasilkan oksida besi $\ce{Fe2O3}$ . Oksigen: 2 di kiri, 3 di kanan; bilangan persekutuan terkecilnya 6, jadi 3 $\ce{O2}$ dan 2 $\ce{Fe2O3}$ . Lalu ada 4 Fe di kanan, jadi 4 Fe di kiri:

\ce{4Fe + 3O2 -> 2Fe2O3}.

Persamaan setara pembakaran hidrogen, digambar dengan model: dua molekul hidrogen dan satu molekul oksigen menghasilkan dua molekul air.

13.5 Membaca persamaan dalam molekul

Proposisi 13.12 (Apa yang dikatakan persamaan setara)

Koefisien-koefisien persamaan setara menyatakan perbandingan partikel-partikel yang bereaksi dan terbentuk. Jika persamaannya $\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}$ , maka 200 molekul hidrogen bereaksi dengan 100 molekul oksigen menghasilkan 200 molekul air; sejuta molekul oksigen memerlukan dua juta molekul hidrogen.

Contoh 13.13 (Propana di kompor kemah)

Propana, $\ce{C3H8}$ , terbakar dalam oksigen menghasilkan karbon dioksida dan air. Karbon dulu: 3 C, jadi 3 $\ce{CO2}$ . Hidrogen: 8 H, jadi 4 $\ce{H2O}$ . Oksigen di kanan: $3 \times 2 + 4 = 10$ O, jadi 5 $\ce{O2}$ :

\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}.

Setiap molekul propana memerlukan lima molekul oksigen.

13.6 Latihan

Latihan 13.1 ★

Nyatakan hukum kekekalan massa.

Solusi

Solusi Latihan 13.1.

Dalam reaksi kimia, massa total produk yang terbentuk sama dengan massa total pereaksi yang terpakai.

Latihan 13.2 ★

Pada $\ce{3CO2}$ , berapa koefisien stoikiometrinya? Berapa atom karbon dan berapa atom oksigen yang dinyatakannya?

Solusi

Solusi Latihan 13.2.

Koefisiennya 3. Koefisien itu menyatakan 3 atom karbon dan $3 \times 2 = 6$ atom oksigen.

Latihan 13.3 ★

Apakah $\ce{C + O2 -> CO2}$ setara? Hitung atom-atomnya untuk memeriksa.

Solusi

Solusi Latihan 13.3.

Ya: 1 C dan 2 O di setiap ruas.

Latihan 13.4 ★

Setarakan $\ce{Mg + O2 -> MgO}$ .

Solusi

Solusi Latihan 13.4.

$\ce{2Mg + O2 -> 2MgO}$ : 2 Mg dan 2 O di setiap ruas.

Latihan 13.5 ★★

Setarakan $\ce{N2 + H2 -> NH3}$ , reaksi pembuatan amonia.

Solusi

Solusi Latihan 13.5.

Nitrogen: 2 N di kiri, jadi 2 $\ce{NH3}$ ; lalu ada 6 H di kanan, jadi 3 $\ce{H2}$ : $\ce{N2 + 3H2 -> 2NH3}$ .

Latihan 13.6 ★★

Sebanyak $12\,\mathrm{g}$ karbon terbakar sempurna dan membentuk $44\,\mathrm{g}$ karbon dioksida. Berapa massa oksigen yang terpakai?

Solusi

Solusi Latihan 13.6.

Menurut kekekalan massa: $44 - 12 = 32\,\mathrm{g}$ oksigen.

Latihan 13.7 ★★

Lihatlah gambar dua labu di atas neraca. Mengapa angka neraca untuk labu yang terbuka turun? Apakah ada massa yang dimusnahkan?

Solusi

Solusi Latihan 13.7.

Gas yang terbentuk lolos ke ruangan, sehingga neraca tidak lagi menimbangnya. Tidak ada massa yang dimusnahkan: massa yang hilang itu berada di udara ruangan.

Latihan 13.8 ★★

Setarakan $\ce{CH4 + O2 -> CO2 + H2O}$ langkah demi langkah, sambil menyebutkan atom mana yang kamu setarakan pada setiap langkah.

Solusi

Solusi Latihan 13.8.

Karbon: 1 di setiap ruas. Hidrogen: 4 di kiri, jadi 2 $\ce{H2O}$ . Oksigen: $2 + 2 = 4$ di kanan, jadi 2 $\ce{O2}$ : $\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}$ .

Latihan 13.9 ★★

Seorang siswa menyetarakan $\ce{H2 + O2 -> H2O}$ dengan menulis $\ce{H2 + O2 -> H2O2}$ . Mengapa cara ini salah?

Solusi

Solusi Latihan 13.9.

Mengubah $\ce{H2O}$ menjadi $\ce{H2O2}$ mengubah zatnya: $\ce{H2O2}$ adalah hidrogen peroksida, bukan air. Hanya koefisien yang boleh diubah: $\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}$ .

Latihan 13.10 ★★

Dengan $\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}$ , berapa molekul oksigen yang diperlukan untuk membakar 20 molekul propana? Berapa molekul air yang terbentuk?

Solusi

Solusi Latihan 13.10.

$20 \times 5 = 100$ molekul oksigen; $20 \times 4 = 80$ molekul air.

Latihan 13.11 ★★★

Setarakan $\ce{C2H6 + O2 -> CO2 + H2O}$ , pembakaran etana. (Petunjuk: coba gandakan etananya.)

Solusi

Solusi Latihan 13.11.

Dengan 2 $\ce{C2H6}$ : 4 C, jadi 4 $\ce{CO2}$ ; 12 H, jadi 6 $\ce{H2O}$ ; oksigen di kanan $8 + 6 = 14$ , jadi 7 $\ce{O2}$ : $\ce{2C2H6 + 7O2 -> 4CO2 + 6H2O}$ .

Latihan 13.12 ★★★

Sebatang lilin $20.0\,\mathrm{g}$ menyala di dalam kotak kaca tertutup rapat yang penuh udara, yang diletakkan di atas neraca yang menunjukkan $850.0\,\mathrm{g}$ seluruhnya. Ketika nyalanya padam, lilin itu tinggal $19.6\,\mathrm{g}$ . Berapa angka yang ditunjukkan neraca? Jelaskan.

Solusi

Solusi Latihan 13.12.

Tetap $850.0\,\mathrm{g}$ . Kotak itu tertutup rapat: $0.4\,\mathrm{g}$ lilin yang terbakar telah menjadi karbon dioksida dan uap air, yang masih berada di dalam kotak bersama oksigen yang diambilnya. Tidak ada yang masuk atau keluar.

13.7 Soal: Wol Baja dalam Stoples Tertutup

Soal 13.1

Soal akhir pekan — besi yang terbakar, neraca yang tidak bergeming, dan oksigen yang diambil dari udara

Di laboratorium, seorang guru membakar wol baja, yang hampir berupa besi murni, dengan dua cara. Pertama, segumpal wol baja dibakar dalam cawan terbuka di atas neraca: angkanya naik. Lalu segumpal wol baja $0.28\,\mathrm{g}$ dibakar, dinyalakan dengan percikan listrik, di dalam stoples udara yang tertutup di atas neraca: angkanya tidak berubah. Stoples itu berisi sekitar $0.5\,\mathrm{g}$ oksigen. Besi yang terbakar dalam oksigen membentuk oksida besi $\ce{Fe2O3}$ ; dengan oksigen yang lebih sedikit, besi juga dapat membentuk $\ce{Fe3O4}$ .

Bagian I — Dua penimbangan.

Dalam cawan terbuka, massanya naik. Dari mana massa tambahan itu berasal?
Dalam stoples tertutup, massanya tidak berubah. Jelaskan.
Nyatakan hukum yang digambarkan oleh kedua penimbangan ini.

Bagian II — Dua persamaan.

Setarakan persamaan $\ce{Fe + O2 -> Fe2O3}$ .
Setarakan persamaan $\ce{Fe + O2 -> Fe3O4}$ .
Periksa persamaan pertama dengan menghitung atom setiap jenis di setiap ruas.
Menurut persamaan pertama, berapa molekul oksigen yang bereaksi dengan 400 atom besi?

Bagian III — Massa. Dalam $\ce{Fe2O3}$ , setiap $7\,\mathrm{g}$ besi bergabung dengan $3\,\mathrm{g}$ oksigen. Gumpalan wol baja $0.28\,\mathrm{g}$ itu terbakar sempurna menjadi $\ce{Fe2O3}$ .

Berapa massa oksigen yang bergabung dengan $0.28\,\mathrm{g}$ besi?
Berapa massa oksida besi yang terbentuk?
Apakah oksigen di dalam stoples cukup? Jelaskan.
Stoples dibuka setelah dingin, dan udara menyerbu masuk. Jelaskan mengapa, dan katakan bagaimana angka neraca lalu berubah.
Hitung massa oksigen yang diambil oleh wol baja yang terbakar dari udara di dalam stoples.

Solusi

Solusi Soal 13.1.

1. Dari oksigen udara, yang bergabung dengan besi: oksida besi seberat besi ditambah oksigen itu.

2. Semuanya tetap di dalam stoples: oksigen yang terpakai sudah berada di dalam stoples, dan oksida yang terbentuk tetap di sana. Massa totalnya tidak berubah.

3. Kekekalan massa: dalam reaksi, massa total produk sama dengan massa total pereaksi.

4. $\ce{4Fe + 3O2 -> 2Fe2O3}$ .

5. $\ce{3Fe + 2O2 -> Fe3O4}$ .

6. Kiri: 4 Fe, $3 \times 2 = 6$ O. Kanan: $2 \times 2 = 4$ Fe, $2 \times 3 = 6$ O. Setara.

7. 4 atom besi untuk 3 molekul oksigen, jadi $400 \times \frac{3}{4} = 300$ molekul oksigen.

8. $0.28 \times \frac{3}{7} = 0.12\,\mathrm{g}$ oksigen.

9. $0.28 + 0.12 = 0.40\,\mathrm{g}$ oksida besi.

10. Ya: yang diperlukan $0.12\,\mathrm{g}$ dan stoples itu berisi sekitar $0.5\,\mathrm{g}$ .

11. Oksigen yang terpakai telah meninggalkan udara di dalam stoples (sekarang berada di dalam oksida padat), sehingga stoples berisi lebih sedikit gas daripada sebelumnya dan udara dari ruangan mengalir masuk. Angka neraca lalu naik, sebesar massa udara yang masuk.

12. $0.12\,\mathrm{g}$ oksigen diambil dari udara di dalam stoples.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 852 istilah di glosarium