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

27Tabel Kemajuan Reaksi

Dalam sebuah tabrakan mobil, sebuah bantalan menyembur keluar dari roda kemudi dan terisi gas dalam sepersekian detik, sebelum kepala pengemudi terlempar ke depan. Gas itu dihasilkan oleh sebuah reaksi kimia: sedikit muatan padatan, natrium azida pada rancangan klasiknya, terurai menjadi natrium dan nitrogen. Insinyur harus memasukkan padatan yang cukup untuk mengisi bantalan itu, tetapi tidak terlalu banyak sehingga bantalan itu pecah, dan tidak boleh ada pereaksi yang tersisa yang dapat mencelakai penumpang. Berapa banyak padatan menghasilkan berapa banyak gas? Persamaan yang setara memberikan perbandingannya; bab ini mengubah perbandingan itu menjadi alat pembukuan yang mengikuti setiap pereaksi dan produk dari awal sebuah reaksi sampai akhirnya.

Yang sudah kamu ketahui

Persamaan yang setara mempertahankan banyaknya atom setiap unsur, juga muatannya, sama di kedua ruas; koefisien-koefisiennya menyatakan perbandingan spesies-spesies yang bereaksi (Bab 13). Jumlah zat sebuah spesies adalah $n = m/M$ untuk sebuah massa, $n = V/V_m$ untuk sebuah gas (dengan $V_m = 24.1\,\mathrm{L}/\mathrm{mol}$ pada $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ dan tekanan atmosfer normal) (Bab 25), dan $n = c \times V$ untuk zat terlarut (Bab 26).

Kantong udara terisi dalam sepersekian detik, dengan nitrogen yang dihasilkan sebuah reaksi.

27.1 Menggambarkan sebuah sistem kimia

Definisi 27.1 (Sistem kimia, keadaan awal dan akhir)

Yang disebut sistem kimia adalah kumpulan spesies kimia yang ada di suatu tempat tertentu (sebuah labu, sebuah bantalan, sebuah sel), masing-masing dengan jumlah zat dan wujudnya. Sistem sebelum reaksi dimulai disebut keadaan awal; sistem setelah reaksi berhenti disebut keadaan akhir.

Contoh 27.2 (Metana terbakar dalam bejana tertutup)

Sebuah bejana tertutup berisi $2.0\,\mathrm{mol}$ metana dan $3.0\,\mathrm{mol}$ gas oksigen; sebuah percikan api memicu pembakaran $\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}$ . Pada keadaan awal sistem itu memuat $2.0\,\mathrm{mol}$ $\ce{CH4(g)}$ , $3.0\,\mathrm{mol}$ $\ce{O2(g)}$ , dan tidak ada produk. Apa isi keadaan akhirnya? Sisa bab ini menjawabnya.

27.2 Kemajuan reaksi dan tabel kemajuan

Definisi 27.3 (Kemajuan reaksi, tabel kemajuan)

Yang disebut kemajuan reaksi $x$ , dalam mol, menghitung berapa kali reaksi, seperti yang tertulis dalam persamaan setaranya, telah berlangsung: ketika kemajuannya $x$ , sebuah spesies berkoefisien $\nu$ telah terpakai (pereaksi) atau terbentuk (produk) sebanyak $\nu x$ . Sebuah tabel kemajuan memberikan, di bawah persamaan, jumlah zat setiap spesies pada keadaan awal, pada kemajuan $x$ , dan pada keadaan akhir.

Metode 27.4 (Mengisi tabel kemajuan)

Tuliskan persamaan setara di baris pertama.
Keadaan awal ( $x = 0$ ): tuliskan jumlah awal setiap spesies di bawahnya.
Keadaan antara (kemajuan $x$ ): setiap pereaksi berkoefisien $\nu$ menjadi $n_0 - \nu x$ , setiap produk $n_0 + \nu x$ .
Keadaan akhir: tentukan $x_{\max}$ (subbab berikutnya) lalu masukkan ke dalam ungkapan-ungkapan baris antara.

persamaan		$\ce{CH4}$	$+$ $\ce{2O2}$	$\longrightarrow$ $\ce{CO2}$	$+$ $\ce{2H2O}$
keadaan	kemajuan ( $\mathrm{mol}$ )	jumlah zat ( $\mathrm{mol}$ )
awal	$0$	$2.0$	$3.0$	$0$	$0$
antara	$x$	$2.0 - x$	$3.0 - 2x$	$x$	$2x$
akhir	$x_{\max} = 1.5$	$0.5$	$0$	$1.5$	$3.0$

Tabel kemajuan pembakaran metana pada contoh. Setiap kolom mengikuti satu spesies; koefisien 2 pada

\ce{O2}

dan pada

\ce{H2O}

menjadi

2x

27.3 Pereaksi pembatas dan keadaan akhir

Definisi 27.5 (Pereaksi pembatas, kemajuan maksimum, reaksi tuntas)

Sebuah reaksi disebut reaksi tuntas jika reaksi itu baru berhenti ketika salah satu pereaksinya habis. Pereaksi itu disebut pereaksi pembatas; pereaksi lainnya berlebih. Kemajuan ketika pereaksi pembatas habis disebut kemajuan maksimum $x_{\max}$ ; keadaan akhir sebuah reaksi tuntas adalah keadaan pada $x = x_{\max}$ .

Metode 27.6 (Menentukan pereaksi pembatas)

Untuk setiap pereaksi, selesaikan $n_0 - \nu x = 0$ : pereaksi itu akan habis pada $x = n_0 / \nu$ .
Nilai terkecil di antaranya adalah $x_{\max}$ ; pereaksi yang memberikannya adalah pereaksi pembatas.
Masukkan $x_{\max}$ ke dalam baris antara untuk memperoleh keadaan akhir; periksalah bahwa tidak ada jumlah zat yang negatif.

Contoh 27.7 (Kembali ke metana)

Metana akan habis pada $x = 2.0/1 = 2.0\,\mathrm{mol}$ , gas oksigen pada $x = 3.0/2 = 1.5\,\mathrm{mol}$ . Yang lebih kecil adalah $1.5\,\mathrm{mol}$ : oksigen adalah pereaksi pembatas dan $x_{\max} = 1.5\,\mathrm{mol}$ . Keadaan akhirnya memuat $0.5\,\mathrm{mol}$ metana yang tersisa, tanpa oksigen, $1.5\,\mathrm{mol}$ karbon dioksida, dan $3.0\,\mathrm{mol}$ air.

Jumlah zat terhadap kemajuan pada contoh metana. Oksigen (merah) mencapai nol lebih dulu, pada x = 1.5\, mol: reaksi berhenti di situ, dan bagian yang diarsir tidak pernah tercapai. — Jumlah zat terhadap kemajuan pada contoh metana. Oksigen (merah) mencapai nol lebih dulu, pada $x = 1.5\,\mathrm{mol}$ : reaksi berhenti di situ, dan bagian yang diarsir tidak pernah tercapai.

Catatan 27.8 (Tidak semua reaksi tuntas)

Banyak reaksi berhenti sebelum ada pereaksi yang habis: reaksi itu mencapai keadaan tempat pereaksi dan produk berada bersama-sama. Keadaan akhirnya bukan $x_{\max}$ , dan sebuah bab berikutnya mempelajari cara menentukannya. Dalam bab ini, setiap reaksi tuntas.

27.4 Campuran stoikiometris

Definisi 27.9 (Campuran stoikiometris)

Sebuah campuran pereaksi disebut campuran stoikiometris jika jumlah awalnya sebanding dengan koefisien-koefisien persamaan setaranya.

Proposisi 27.10 (Semua pereaksi habis bersama-sama)

Untuk reaksi $a\,\ce{A} + b\,\ce{B} \longrightarrow$ produk, campurannya stoikiometris jika dan hanya jika

\frac{n_0(\ce{A})}{a} = \frac{n_0(\ce{B})}{b},

dan dalam hal itu, untuk reaksi tuntas, kedua pereaksi habis terpakai pada keadaan akhir.

Bukti. $\ce{A}$ akan habis pada $x = n_0(\ce{A})/a$ , $\ce{B}$ pada $x = n_0(\ce{B})/b$ . Kedua nilai itu sama tepat ketika perbandingannya sama dengan perbandingan dalam persamaan, dan dalam hal itu kemajuan $x_{\max}$ menghabiskan keduanya sekaligus. ∎

Contoh 27.11 (Membakar metana dengan bersih)

Untuk $\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}$ , $2.0\,\mathrm{mol}$ metana memerlukan $4.0\,\mathrm{mol}$ gas oksigen: $2.0/1 = 4.0/2$ . Dengan hanya $3.0\,\mathrm{mol}$ oksigen, campuran pada contoh pertama kekurangan oksigen; dalam nyala api yang sebenarnya, kekurangan itulah yang menghasilkan karbon monoksida yang beracun (Bab 14).

27.5 Gas dan larutan dalam tabel

Metode 27.12 (Jumlah zat untuk keadaan awal)

Sebelum mengisi tabel, ubahlah setiap besaran yang diberikan menjadi jumlah zat: $n = m/M$ untuk padatan atau cairan yang ditimbang; $n = V/V_m$ untuk gas; $n = c \times V$ untuk spesies yang terlarut. Pada akhirnya, ubahlah kembali jumlah zat pada keadaan akhir menjadi apa pun yang ditanyakan: massa, volume gas, atau konsentrasi.

Contoh 27.13 (Magnesium dalam asam klorida)

Asam klorida mengandung ion hidrogen $\ce{H+}$ , yang menyerang magnesium: $\ce{Mg + 2H+ -> Mg^{2+} + H2}$ . Sepotong pita magnesium $0.12\,\mathrm{g}$ dijatuhkan ke dalam $50.0\,\mathrm{mL}$ asam dengan $c(\ce{H+}) = 1.0\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ . Jumlah awal: $n_0(\ce{Mg}) = 0.12/24.3 = 4.9 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}$ dan $n_0(\ce{H+}) = 1.0 \times 0.0500 = 5.0 \times 10^{-2}\,\mathrm{mol}$ . Magnesium akan habis pada $x = 4.9 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}$ , ion hidrogen pada $x = 0.050/2 = 2.5 \times 10^{-2}\,\mathrm{mol}$ : magnesium adalah pembatas dan $x_{\max} = 4.9 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}$ . Reaksi itu menghasilkan $4.9 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}$ gas hidrogen, yaitu $4.9 \times 10^{-3} \times 24.1 = 0.12\,\mathrm{L}$ pada $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , dan menyisakan $0.050 - 2 \times 0.0049 = 0.040\,\mathrm{mol}$ ion hidrogen yang berlebih.

Di laboratorium — Balon pada labu

Guru menuangkan $50.0\,\mathrm{mL}$ asam klorida yang sama ke dalam masing-masing dari enam labu Erlenmeyer, dan memasukkan ke dalam enam balon serbuk magnesium dengan massa yang makin besar: 0.15, 0.30, 0.45, 0.60, 0.75, dan $0.90\,\mathrm{g}$ . Setiap balon dipasang menutupi leher labunya, lalu diangkat sehingga serbuknya jatuh ke dalam asam. Sambil berdesis, balon-balon itu menggembung. Ketika semuanya berhenti, balon-balon itu makin besar dari labu pertama sampai labu keempat; balon keempat, kelima, dan keenam sama besarnya, dan pada dua labu terakhir tersisa sedikit serbuk kelabu di dasar labu.

Enam labu dengan asam yang sama dan massa magnesium yang makin besar, beserta volume gas hidrogen (pada 20\, C) di dalam setiap balon. Di atas sekitar 0.61\, g, asamlah yang menjadi pembatas: balon-balon berhenti membesar dan magnesium tersisa (kelabu). — Enam labu dengan asam yang sama dan massa magnesium yang makin besar, beserta volume gas hidrogen (pada $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) di dalam setiap balon. Di atas sekitar $0.61\,\mathrm{g}$ , asamlah yang menjadi pembatas: balon-balon berhenti membesar dan magnesium tersisa (kelabu).

Catatan 27.14 (Membaca bagian datar)

Pada labu-labu pertama magnesium adalah pereaksi pembatas, dan menggandakannya menggandakan gasnya. Mulai dari massa tertentu, ion hidrogenlah yang habis lebih dulu: menambah magnesium tidak mengubah apa pun selain serbuk yang tersisa. Perubahan itu terjadi tepat pada campuran stoikiometris, $n_0(\ce{Mg}) = n_0(\ce{H+})/2 = 0.025\,\mathrm{mol}$ , yaitu $0.025 \times 24.3 = 0.61\,\mathrm{g}$ magnesium.

Keselamatan

Serbuk magnesium mudah menyala; asam klorida melukai kulit dan mata serta uapnya mengiritasi saluran pernapasan; gas hidrogen terbakar di udara. Ini demonstrasi oleh guru, dengan kacamata pelindung, jauh dari nyala api apa pun.

27.6 Latihan

Latihan 27.1 ★

Isilah tabel kemajuan $\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}$ untuk campuran awal $4.0\,\mathrm{mol}$ gas hidrogen dan $3.0\,\mathrm{mol}$ gas oksigen, dengan menganggap reaksinya tuntas. Tentukan $x_{\max}$ , pereaksi pembatas, dan keadaan akhirnya.

Solusi

Solusi Latihan 27.1.

$\ce{H2}$ : $4.0 - 2x$ ; $\ce{O2}$ : $3.0 - x$ ; $\ce{H2O}$ : $2x$ . Gas hidrogen habis pada $x = 2.0$ , gas oksigen pada $x = 3.0$ : $x_{\max} = 2.0\,\mathrm{mol}$ , hidrogen adalah pembatas. Keadaan akhir: $0\,\mathrm{mol}$ $\ce{H2}$ , $1.0\,\mathrm{mol}$ $\ce{O2}$ , $4.0\,\mathrm{mol}$ $\ce{H2O}$ .

Latihan 27.2 ★

Karbon terbakar dalam gas oksigen: $\ce{C + O2 -> CO2}$ . Mulai dari $3.0\,\mathrm{mol}$ karbon dan $2.0\,\mathrm{mol}$ gas oksigen, tentukan $x_{\max}$ , pereaksi pembatas, dan keadaan akhirnya.

Solusi

Solusi Latihan 27.2.

Karbon akan habis pada $x = 3.0$ , gas oksigen pada $x = 2.0$ : $x_{\max} = 2.0\,\mathrm{mol}$ , oksigen adalah pembatas. Keadaan akhir: $1.0\,\mathrm{mol}$ karbon, tanpa oksigen, $2.0\,\mathrm{mol}$ karbon dioksida.

Latihan 27.3 ★

Besi dan belerang bereaksi jika dipanaskan: $\ce{Fe + S -> FeS}$ . Mulai dari $0.50\,\mathrm{mol}$ besi dan $0.30\,\mathrm{mol}$ belerang, uraikan keadaan akhirnya.

Solusi

Solusi Latihan 27.3.

$x_{\max} = 0.30\,\mathrm{mol}$ (belerang pembatas). Keadaan akhir: $0.20\,\mathrm{mol}$ besi, tanpa belerang, $0.30\,\mathrm{mol}$ besi sulfida.

Latihan 27.4 ★

Anggaplah reaksi $\ce{N2 + 3H2 -> 2NH3}$ tuntas. Mulai dari $1.0\,\mathrm{mol}$ gas nitrogen dan $2.4\,\mathrm{mol}$ gas hidrogen, tentukan $x_{\max}$ dan keadaan akhirnya.

Solusi

Solusi Latihan 27.4.

Gas nitrogen habis pada $x = 1.0$ , gas hidrogen pada $x = 2.4/3 = 0.80$ : $x_{\max} = 0.80\,\mathrm{mol}$ . Keadaan akhir: $0.20\,\mathrm{mol}$ $\ce{N2}$ , tanpa $\ce{H2}$ , $2 \times 0.80 = 1.6\,\mathrm{mol}$ $\ce{NH3}$ .

Latihan 27.5 ★

Untuk $\ce{2CO + O2 -> 2CO2}$ , manakah di antara campuran berikut yang stoikiometris? (a) $2\,\mathrm{mol}$ $\ce{CO}$ dan $2\,\mathrm{mol}$ $\ce{O2}$ ; (b) $4\,\mathrm{mol}$ $\ce{CO}$ dan $2\,\mathrm{mol}$ $\ce{O2}$ ; (c) $1\,\mathrm{mol}$ $\ce{CO}$ dan $2\,\mathrm{mol}$ $\ce{O2}$ .

Solusi

Solusi Latihan 27.5.

(b): $4/2 = 2/1$ . Pada (a) karbon monoksida menjadi pembatas, pada (c) juga.

Latihan 27.6 ★★

Berapa massa gas oksigen yang diperlukan untuk membakar sempurna $32\,\mathrm{g}$ metana ( $\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}$ )? Berapa massa air yang terbentuk?

Solusi

Solusi Latihan 27.6.

$n(\ce{CH4}) = 32 / 16.0 = 2.0\,\mathrm{mol}$ , jadi $x_{\max} = 2.0\,\mathrm{mol}$ untuk campuran stoikiometris. Gas oksigen: $2 \times 2.0 = 4.0\,\mathrm{mol}$ , yaitu $4.0 \times 32.0 = 128\,\mathrm{g}$ . Air: $4.0\,\mathrm{mol} \times 18.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol} = 72\,\mathrm{g}$ .

Latihan 27.7 ★★

Sebuah kompor kemah membakar $1.0\,\mathrm{kg}$ propana: $\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}$ . Berapa volume karbon dioksida, pada $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , yang dilepaskannya?

Solusi

Solusi Latihan 27.7.

$n(\ce{C3H8}) = 1000 / 44.0 = 22.7\,\mathrm{mol}$ ; karbon dioksida $3 \times 22.7 = 68.2\,\mathrm{mol}$ ; $V = 68.2 \times 24.1 = 1.64 \times 10^{3}\,\mathrm{L}$ , sekitar $1.6\,\mathrm{m}^{3}$ .

Latihan 27.8 ★★

Dengan gambar jumlah zat terhadap kemajuan pada contoh metana, bacalah jumlah zat keempat spesies pada $x = 1.0\,\mathrm{mol}$ . Mengapa garis gas oksigen berhenti pada $x = 1.5\,\mathrm{mol}$ ?

Solusi

Solusi Latihan 27.8.

Pada $x = 1.0\,\mathrm{mol}$ : $1.0\,\mathrm{mol}$ $\ce{CH4}$ , $1.0\,\mathrm{mol}$ $\ce{O2}$ , $1.0\,\mathrm{mol}$ $\ce{CO2}$ , $2.0\,\mathrm{mol}$ $\ce{H2O}$ . Gas oksigen habis pada $x = 1.5\,\mathrm{mol}$ : reaksi berhenti di situ, sehingga kemajuan yang lebih besar tidak pernah tercapai.

Latihan 27.9 ★★

Sebanyak $1.30\,\mathrm{g}$ serbuk seng ditambahkan ke dalam $100.0\,\mathrm{mL}$ larutan tembaga sulfat biru $0.10\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ . Reaksinya $\ce{Zn + Cu^{2+} -> Zn^{2+} + Cu}$ . Tentukan pereaksi pembatas, massa tembaga yang terbentuk, dan massa seng yang tersisa. Apakah larutannya masih biru pada akhirnya?

Solusi

Solusi Latihan 27.9.

$n_0(\ce{Zn}) = 1.30 / 65.4 = 0.0199\,\mathrm{mol}$ ; $n_0(\ce{Cu^{2+}}) = 0.10 \times 0.1000 = 0.0100\,\mathrm{mol}$ . Ion-ion tembaga adalah pembatas: $x_{\max} = 0.0100\,\mathrm{mol}$ . Tembaga yang terbentuk: $0.0100 \times 63.5 = 0.635\,\mathrm{g}$ ; seng yang tersisa: $(0.0199 - 0.0100) \times 65.4 = 0.65\,\mathrm{g}$ . Tidak ada ion tembaga yang tersisa: warna birunya telah hilang.

Latihan 27.10 ★★

Sebanyak $0.48\,\mathrm{g}$ magnesium ditambahkan ke dalam $20.0\,\mathrm{mL}$ asam klorida dengan $c(\ce{H+}) = 1.0\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ ( $\ce{Mg + 2H+ -> Mg^{2+} + H2}$ ). Pereaksi mana yang membatasi? Berapa volume gas hidrogen yang ditampung pada $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ?

Solusi

Solusi Latihan 27.10.

$n_0(\ce{Mg}) = 0.48 / 24.3 = 0.0198\,\mathrm{mol}$ , yang akan habis pada $x = 0.0198$ ; $n_0(\ce{H+}) = 0.020\,\mathrm{mol}$ , yang akan habis pada $x = 0.010$ . Asamnya yang menjadi pembatas: $x_{\max} = 0.010\,\mathrm{mol}$ , jadi $0.010\,\mathrm{mol}$ gas hidrogen, $0.010 \times 24.1 = 0.24\,\mathrm{L}$ .

Latihan 27.11 ★★

Pada latihan 3, berapa persen pereaksi yang berlebih melampaui jumlah yang akan menghasilkan campuran stoikiometris?

Solusi

Solusi Latihan 27.11.

Campuran stoikiometris dengan $0.30\,\mathrm{mol}$ belerang memerlukan $0.30\,\mathrm{mol}$ besi; ada $0.20\,\mathrm{mol}$ lebih banyak, yaitu $0.20 / 0.30 \approx 67\,\%$ berlebih.

Latihan 27.12 ★★★

Seorang siswa menginginkan $10.0\,\mathrm{g}$ campuran stoikiometris besi dan belerang untuk $\ce{Fe + S -> FeS}$ . Berapa massa besi dan massa belerang yang harus ditimbang?

Solusi

Solusi Latihan 27.12.

Jumlah zatnya sama: $m(\ce{Fe})/55.8 = m(\ce{S})/32.1$ , dengan $m(\ce{Fe}) + m(\ce{S}) = 10.0\,\mathrm{g}$ . Jadi $m(\ce{Fe}) = 10.0 \times 55.8 / (55.8 + 32.1) = 6.35\,\mathrm{g}$ dan $m(\ce{S}) = 3.65\,\mathrm{g}$ .

Latihan 27.13 ★★★

Sebanyak $10.0\,\mathrm{g}$ batu kapur $\ce{CaCO3}$ dipanaskan dengan kuat dan terurai seluruhnya: $\ce{CaCO3 -> CaO + CO2}$ . Kapur tohor $\ce{CaO}$ yang diperoleh lalu dimasukkan ke dalam $1.8\,\mathrm{g}$ air: $\ce{CaO + H2O -> Ca(OH)2}$ .

Isilah tabel kemajuan reaksi pertama; berapa volume karbon dioksida yang dilepaskan pada $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ?
Isilah tabel reaksi kedua. Pereaksi mana yang membatasi? Berapa massa kapur padam $\ce{Ca(OH)2}$ yang terbentuk?

Solusi

Solusi Latihan 27.13.

$n_0(\ce{CaCO3}) = 10.0 / 100.1 = 0.0999\,\mathrm{mol}$ , satu-satunya pereaksi: $x_{\max} = 0.0999\,\mathrm{mol}$ ; reaksi itu menghasilkan $0.0999\,\mathrm{mol}$ $\ce{CaO}$ dan $\ce{CO2}$ , yaitu $0.0999 \times 24.1 = 2.41\,\mathrm{L}$ karbon dioksida.
$n_0(\ce{CaO}) = 0.0999\,\mathrm{mol}$ , $n_0(\ce{H2O}) = 1.8 / 18.0 = 0.100\,\mathrm{mol}$ : kapur tohor menjadi pembatas (tipis sekali); campuran itu hampir stoikiometris. $\ce{Ca(OH)2}$ : $M = 40.1 + 2 \times (16.0 + 1.0) = 74.1\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , massanya $0.0999 \times 74.1 = 7.40\,\mathrm{g}$ .

Latihan 27.14 ★★★

Pada percobaan balon dalam kotak laboratorium, hitung volume gas hidrogen di dalam setiap balon. Jelaskan mengapa balon berhenti membesar setelah labu keempat, lalu gambarlah (dengan tangan) grafik volume gas terhadap massa magnesium.

Solusi

Solusi Latihan 27.14.

$n_0(\ce{H+}) = 0.050\,\mathrm{mol}$ di setiap labu; ion ini akan habis pada $x = 0.025\,\mathrm{mol}$ . Magnesium: 0.15, 0.30, 0.45, 0.60, 0.75, $0.90\,\mathrm{g}$ memberikan 0.0062, 0.0123, 0.0185, 0.0247, 0.0309, $0.0370\,\mathrm{mol}$ . Pada empat labu pertama magnesium adalah pembatas dan gas hidrogennya $n(\ce{Mg}) \times 24.1$ : 0.15, 0.30, 0.45, dan $0.60\,\mathrm{L}$ . Pada dua labu terakhir asamnya yang menjadi pembatas: $0.025 \times 24.1 = 0.60\,\mathrm{L}$ . Grafiknya berupa garis lurus melalui titik asal sampai sekitar $0.61\,\mathrm{g}$ magnesium, lalu menjadi mendatar pada $0.60\,\mathrm{L}$ .

Latihan 27.15 ★★★

Sebanyak $4.6\,\mathrm{g}$ etanol $\ce{C2H6O}$ terbakar dalam bejana tertutup yang berisi $4.8\,\mathrm{L}$ gas oksigen pada $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : $\ce{C2H6O + 3O2 -> 2CO2 + 3H2O}$ . Tentukan pereaksi pembatas, massa etanol yang tersisa tidak terbakar, dan volume karbon dioksida yang terbentuk.

Solusi

Solusi Latihan 27.15.

$n_0(\text{etanol}) = 4.6 / 46.0 = 0.100\,\mathrm{mol}$ (akan habis pada $x = 0.100$ ); $n_0(\ce{O2}) = 4.8 / 24.1 = 0.199\,\mathrm{mol}$ (akan habis pada $x = 0.199/3 = 0.0664$ ). Gas oksigen adalah pembatas, $x_{\max} = 0.0664\,\mathrm{mol}$ . Etanol yang tersisa: $0.100 - 0.0664 = 0.0336\,\mathrm{mol}$ , yaitu $0.0336 \times 46.0 = 1.5\,\mathrm{g}$ . Karbon dioksida: $2 \times 0.0664 = 0.133\,\mathrm{mol}$ , yaitu $0.133 \times 24.1 = 3.2\,\mathrm{L}$ .

27.7 Soal: Kantong Udara

Soal 27.1

Soal akhir pekan — berapa massa natrium azida yang harus dimasukkan ke dalam roda kemudi untuk mengisi kantong udara 60 liter?

Pada rancangan kantong udara yang klasik, sebuah percikan listrik memicu penguraian padatan natrium azida:

\ce{2NaN3 -> 2Na + 3N2} .

Logam natrium yang terbentuk berbahaya: logam itu bereaksi hebat dengan air, dan dengan kelembapan kulit dan mata. Karena itu muatannya juga mengandung kalium nitrat, yang mengubah natrium menjadi oksida-oksida yang tidak berbahaya dan menghasilkan sedikit nitrogen tambahan:

\ce{10Na + 2KNO3 -> K2O + 5Na2O + N2} .

Kedua reaksi itu tuntas. Kantong udara itu harus diisi dengan $60\,\mathrm{L}$ nitrogen; anggaplah gas itu pada $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , dengan $V_m = 24.1\,\mathrm{L}/\mathrm{mol}$ .

Bagian I — Reaksi-reaksinya.

Periksalah bahwa persamaan pertama setara, unsur demi unsur.
Periksalah bahwa persamaan kedua setara.
Bab mana sebelumnya yang menunjukkan bahwa natrium bereaksi hebat dengan air? Mengapa tidak boleh ada natrium yang tersisa setelah tabrakan?
Hitung massa molar natrium azida $\ce{NaN3}$ dan kalium nitrat $\ce{KNO3}$ .

Bagian II — Penguraian.

Isilah tabel kemajuan reaksi pertama untuk jumlah awal $1.00\,\mathrm{mol}$ natrium azida.
Tentukan $x_{\max}$ . Mana pereaksi pembatasnya?
Berikan jumlah zat natrium dan nitrogen pada keadaan akhir.
Berapa volume nitrogen yang dihasilkan $1.00\,\mathrm{mol}$ natrium azida pada $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ?

Bagian III — Menghilangkan natrium.

Isilah tabel kemajuan reaksi kedua, mulai dari natrium yang diperoleh pada soal 7 dan jumlah $n$ kalium nitrat.
Berapa jumlah zat, dan berapa massa, kalium nitrat yang membentuk campuran stoikiometris dengan natrium ini?
Berikan keadaan akhir reaksi kedua untuk campuran ini.
Jika hanya $0.150\,\mathrm{mol}$ kalium nitrat yang dimasukkan, pereaksi mana yang akan menjadi pembatas, dan apa yang akan tersisa? Mengapa hal itu berbahaya?

Bagian IV — Kantong 60 liter.

Dari soal 7 dan 11, berapa jumlah zat nitrogen yang dihasilkan seluruh muatan itu per mol natrium azida?
Berapa jumlah zat nitrogen yang mengisi kantong itu?
Simpulkan jumlah zat natrium azida yang diperlukan.
Hitung massanya.
Hitung massa kalium nitrat yang harus ditambahkan.
Tanpa reaksi kedua, berapa massa natrium azida yang akan diperlukan? Berapa banyak yang dihemat oleh reaksi kedua?
Natrium azida berakibat fatal jika tertelan. Mengapa penting bahwa reaksi pertama tuntas, dan bagaimana tabel kemajuan menunjukkan bahwa tidak ada yang tersisa?
Nyatakan jawaban akhirnya: berapa massa natrium azida yang mengisi kantong udara $60\,\mathrm{L}$ ?

Solusi

Solusi Soal 27.1.

1. Kiri: 2 Na, 6 N. Kanan: 2 Na, $3 \times 2 = 6$ N. Setara.

2. Kiri: 10 Na, 2 K, 2 N, 6 O. Kanan: K: 2; Na: $5 \times 2 = 10$ ; O: $1 + 5 = 6$ ; N: 2. Setara.

3. Bab tentang tabel periodik (Bab 20): natrium bereaksi hebat dengan air, menghasilkan larutan yang korosif dan gas hidrogen. Setelah tabrakan, kantong itu bersentuhan dengan kulit, mata, dan udara lembap embusan napas.

4. $M(\ce{NaN3}) = 23.0 + 3 \times 14.0 = 65.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $M(\ce{KNO3}) = 39.1 + 14.0 + 3 \times 16.0 = 101.1\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

5. $\ce{NaN3}$ : $1.00 - 2x$ ; $\ce{Na}$ : $2x$ ; $\ce{N2}$ : $3x$ .

6. $1.00 - 2x = 0$ pada $x_{\max} = 0.500\,\mathrm{mol}$ ; natrium azida, satu-satunya pereaksi, adalah pembatas.

7. $\ce{Na}$ : $2 \times 0.500 = 1.00\,\mathrm{mol}$ ; $\ce{N2}$ : $3 \times 0.500 = 1.50\,\mathrm{mol}$ .

8. $1.50 \times 24.1 = 36.2\,\mathrm{L}$ .

9. $\ce{Na}$ : $1.00 - 10x$ ; $\ce{KNO3}$ : $n - 2x$ ; $\ce{K2O}$ : $x$ ; $\ce{Na2O}$ : $5x$ ; $\ce{N2}$ : $x$ .

10. $1.00/10 = n/2$ , jadi $n = 0.200\,\mathrm{mol}$ , yaitu $0.200 \times 101.1 = 20.2\,\mathrm{g}$ .

11. $x_{\max} = 0.100\,\mathrm{mol}$ : tanpa natrium, tanpa kalium nitrat, $0.100\,\mathrm{mol}$ $\ce{K2O}$ , $0.500\,\mathrm{mol}$ $\ce{Na2O}$ , $0.100\,\mathrm{mol}$ $\ce{N2}$ .

12. Natrium akan habis pada $x = 0.100$ , kalium nitrat pada $x = 0.150/2 = 0.075$ : nitratnya menjadi pembatas, $x_{\max} = 0.075\,\mathrm{mol}$ , dan $1.00 - 10 \times 0.075 = 0.25\,\mathrm{mol}$ logam natrium akan tersisa di dalam kantong, siap bereaksi dengan kelembapan.

13. $1.50 + 0.100 = 1.60\,\mathrm{mol}$ nitrogen per mol natrium azida.

14. $n = 60 / 24.1 = 2.49\,\mathrm{mol}$ .

15. $2.49 / 1.60 = 1.56\,\mathrm{mol}$ natrium azida.

16. $1.56 \times 65.0 = 101\,\mathrm{g}$ .

17. $0.200 \times 1.56 = 0.311\,\mathrm{mol}$ , yaitu $0.311 \times 101.1 = 31.5\,\mathrm{g}$ kalium nitrat.

18. $2.49 / 1.50 = 1.66\,\mathrm{mol}$ , yaitu $1.66 \times 65.0 = 108\,\mathrm{g}$ : reaksi kedua menghemat sekitar $7\,\mathrm{g}$ natrium azida.

19. Reaksi tuntas hanya berhenti ketika pereaksi pembatasnya habis terpakai; di sini natrium azida adalah satu-satunya pereaksi, sehingga pada keadaan akhir jumlah zatnya $1.00 - 2x_{\max} = 0$ . Tidak ada zat beracun yang tersisa di dalam kantong.

20. Sekitar $101\,\mathrm{g}$ natrium azida mengisi kantong udara $60\,\mathrm{L}$ .

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 852 istilah di glosarium