Hubungan Massa dan Volume Gas: Panduan Cara Mudah Menyelesaikan Soal Lengkap dengan Pembahasan

Stoikiometri adalah cabang kimia yang membahas tentang perhitungan kuantitatif dalam reaksi kimia. Salah satu aspek penting dalam stoikiometri adalah hubungan antara massa dan volume gas. Sebagai contoh, dalam produksi gas seperti oksigen atau hidrogen, kita perlu mengetahui jumlah massa zat yang dibutuhkan untuk menghasilkan volume gas tertentu. Dengan memahami konsep ini, kita dapat menghitung kebutuhan bahan dengan tepat dan mengoptimalkan proses reaksi.

Melalui artikel ini, Anda akan mempelajari cara menghitung hubungan massa dan volume gas dengan langkah-langkah yang sistematis. Dilengkapi dengan contoh soal dan pembahasannya, artikel ini bertujuan untuk membantu Anda menguasai perhitungan stoikiometri secara mudah dan efektif.

Perhitungan hubungan massa dan volume gas pada kondisi STP didasarkan pada fakta bahwa 1 mol zat menempati 22.4 liter atau 22400 mL pada kondisi STP. Selain pada kondisi STP, volume gas pada berbagai suhu dan tekanan bisa diubah menjadi massa atau sebaliknya dengan bantuan persamaan berikut:

 

dimana:

P = tekanan (atm)

V = volume (L)

w = massa gas (gram)

M = massa molekul relatif gas (gram/mol)

R = tetapa gas ideal

T = suhu (K)

Contoh Soal 1:

Hitung volume karbon dioksida pada kondisi STP yang dihasilkan dari pemanasan kuat 20 gram kalsium karbonat! (Ar Ca =40 gram/mol; C = 12 gram/mol; O = 16 gram/mol)

Jawabannya:

Pertama-tama tulislah persamaan reaksi setara dari pemanasan kalsium karbonat:

CaCO₃ → CaO + CO₂ 

Kemudian tulis massa molekul relatif senyawa:

Mr CaCO₃ = (1 x Ar Ca) + (1 x Ar C) + (3 x Ar O) = (1 x 40 gram/mol) + (1 x 12 gram/mol) + (3 x 16 gram/mol) = 100 gram/mol

Hitung mol dari CaCO₃ :

Mol CaCO₃ = massa/Mr = 20 gram / 100 gram/mol = 0,2 mol

Dari reaksi pemanasan CaCO₃, berdasarkan koefisien reaksi ditunjukkan bahwa 1 mol CaCO₃ akan menghasilkan 1 mol CO₂.

Mol CO₂ = (koefisien CO₂ / koefisien CaCO₃) x mol CaCO₃ = (1/1) x 0,2 mol = 0,2 mol

Jadi, volume CO₂ pada STP = mol x 22,4 L/mol = 0,2 mol x 22,4 L/mol = 4,48 L

Contoh Soal 2:

Hitunglah volume gas hidrogen yang dihasilkan pada 27^oC dan tekanan 760 mmHg dari reaksi 1,2 gram magnesium dengan asam klorida berlebih! (Ar Mg = 24 gram/mol)

Jawabannya:

Reaksi magnesium dengan asam klroida sebagai berikut:

Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂

Hitung mol dari magnesium :

Mol Mg = massa/Ar = 1,2 gram / 24 gram/mol = 0,05 mol

Dari reaksi di atas, berdasarkan koefisien reaksi ditunjukkan bahwa 1 mol Mg akan bereaksi sempurna dengan HCl menghasilkan 1 mol gas H₂.

Mol H₂ = (koefisien H₂ /koefisien Mg) x mol Mg = (1/1) x 0,05 mol = 0,05 mol

Volume gas H₂ dapat dihitung menggunakan rumus:

PV = nRT

Namun, sebelum melakukan perhitungan menggunakan rumus tersebut, kita perlu mengonvesi terlebih dahulu suhu dan tekanan ke satuan yang diinginkan.

760 mmHg = 1 atm

27^oC = (27 + 273) K = 300K

PV = nRT

1 atm x V = 0,05 mol x 0,082 L.atm/mol.K x 300 K

V = 1,23 L

Jadi, volume gas H₂ yang dihasilkan adalah 1,23 L.

Contoh Soal 3:

Berapa massa CuO yang diperlukan agar bereaksi sempurna dengan 2,8 liter gas H₂ pada kondisi STP? (Ar Cu = 63,5 gram/mol; O = 16 gram/mol)

Jawabannya:

Reaksi setara antara CuO dengan H₂ sebagai berikut:

CuO + H₂ → Cu + H₂O

Massa molekul relatif CuO:

Mr CuO = (1 x Ar Cu) + (1 x Ar O) = (1 x 63,5 gram/mol) + (1 x 16 gram/mol) = 79,5 gram/mol

Hitung mol dari H₂ :

Mol HCl = Volume/22,4 L/mol = 2,8 L / 22,4 L/mol = 0,125 mol

Dari reaksi di atas, berdasarkan koefisien reaksi ditunjukkan bahwa 1 mol Cu akan bereaksi sempurna dengan 1 mol H₂.

Mol Cu = (koefisien Cu / koefisien H₂) x mol H₂ = (1/1) x 0,125 mol = 0,125 mol

Jadi, massa CuO = mol x Mr = 0,125 mol x 79,5 gram/mol = 9,9375 gram

Contoh Soal 4:

Sebanyak 10 gram sampel kalium klorat (KClO₃) terurai sempurna menghasilkan 2,24 liter gas oksigen pada STP. Tentukan persen kemurnian dari kalium klorat. (Ar K = 39 gram/mol; Cl = 35,5 gram/mol; O = 16 gram/mol)

Jawabannya:

Reaksinya penguraian kalium klorat sebagai berikut:

2KClO₃ → 2KCl + 3O₂

 

Massa molekul relatif senyawa:

Mr KClO₃ = (1 x Ar K) + (1 x Ar Cl) + (3 x Ar O) = (1 x 39 gram/mol) + (1 x 35,5 gram/mol) + (3 x 16 gram/mol)= 122,5 gram/mol 

Hitung mol dari oksigen :

Mol O₂ = V/22,4 L/mol = 2,24 L / 22,4 L/mol = 0,1 mol

Dari reaksi di atas, berdasarkan koefisien reaksi ditunjukkan bahwa 2 mol KClO₃ akan terurai sempurna menghasilkan 3 mol O₂.

Mol KClO₃ = (koefisien KClO₃ / koefisien O₂) x mol O₂ = (2/3) x 0,1 mol = 0,066 mol

Massa KClO₃ = mol x Mr = 0,0666 mol x 122,5 gram/mol = 8,1585 gram

%kemurnian KClO₃ = massa KClO₃ / massa sampel = (8,1585/10) x 100% = 81,585%

Contoh Soal 5:

Berapa volume gas hidrogen yang dihasilkan pada STP dari reaksi logam Zn dengan 50 mL larutan H₂SO₄ 40% (massa jenis larutan H₂SO₄ = 1,3 g/ml ;  Mr H₂SO₄ = 98 gram/mol)

Jawabannya:

Pertama-tama kita harus mencari molaritas H₂SO₄ dengan rumus berikut:

 

Lalu hitung mol H₂SO₄ (konversi satuan volume H₂SO₄ dari mililiter menjadi liter):

Mol H₂SO₄ = M x V = 5,306 M x 0,05 L = 0,2653 mol

Tuliskan persamaan reaksi setara antara logam Zn dan H₂SO₄:

Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂

Dari reaksi di atas, berdasarkan koefisien reaksi ditunjukkan bahwa 1 mol H₂SO₄ akan bereaksi sempurna dengan logam Zn meghasilkan 1 mol gas H₂.

Mol H₂ = (koefisien H₂ / koefisien H₂SO₄) x mol H₂SO₄ = (1/1) x 0,2653 mol = 0,2653 mol

Jadi, V gas H₂ pada STP = mol x 22,4 L/mol = 0,2653 mol x 22,4 L/mol = 5,94272 L