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

Cara Mudah Menentukan Persen Hasil Reaksi Kimia: Panduan Lengkap dengan Contoh Soal

Secara umum, ketika reaksi dilakukan di laboratorium kita tidak benar-benar memperoleh hasil teoritis dari produk. Jumlah produk yang sebenarnya diperoleh disebut hasil aktual. Dengan mengetahui hasil aktual dan hasil teoretis, kita dapat menentukan persen hasil dengan rumus berikut:

 

 

Contoh Soal 1:

Sebanyak 7,8 gram sampel C₆H₆ bereaksi dengan HNO₃ berlebih menghasilkan 9,0 gram C₆H₅NO₂. Tentukan persen hasil C₆H₅NO₂ pada eksperimen tersebut!

Jawaban:

Persamaan reaksi setara dari reaksi C₆H₆ dengan HNO₃ yaitu:

C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O

Massa molekul relatif senyawa:

Mr C₆H₆ = (6 x Ar C) + (6 x Ar H) = (6 x 12 gram/mol) + (6 x 1 gram/mol) = 78 gram/mol

Mr C₆H₅NO₂ = (6 x Ar C) + (5 x Ar H) + (1 x Ar N) + (2 x Ar O) = (6 x 12 gram/mol) + (5 x 1 gram/mol) + (1 x 14 gram/mol) + (2 x 16 gram/mol) = 123 gram/mol

 

Hitung mol dari pereaksi yang diketahui massanya yaitu C₆H₆ :

Mol C₆H₆ = massa/Mr = 7,8 gram / 78 gram/mol = 0,1 mol

 

Dari reaksi di atas, berdasarkan koefisien reaksi ditunjukkan bahwa 1 mol C₆H₆ akan bereaksi sempurna dengan HNO₃ menghasilkan 1 mol C₆H₅NO₂.

 

Mol C₆H₅NO₂ = (koefisien C₆H₅NO₂. / koefisien C₆H₆) x mol C₆H₆ = (1/1) x 0,1 mol = 0,1 mol

 

Jadi, secara teoritis massa C₆H₅NO₂ yang dihasilkan = mol x Mr = 0,1 mol x 123 gram/mol = 12,3 gram 

 

Hasil aktual C₆H₅NO₂ yang dihasilkan adalah 9,0 gram, maka:

%hasil C₆H₅NO₂ = (9,0 gram / 12,3 gram) x 100% = 73,17%

 

Contoh Soal 2:

Jika 4,8 gram N₂F₄ dihasilkan ketika 4,0 gram NH₃ bereaksi dengan 14,0 gram F₂ sesuai reaksi:

2NH₃ + 5F₂ → N₂F₄ + 6HF

Tentukan persen hasil N₂F₄!

Jawaban:

Persamaan reaksi setara:

2NH₃ + 5F₂ → N₂F₄ + 6HF

Massa molekul relatif senyawa:

Mr NH₃ = (1 x Ar N + (3 x Ar H) = (1 x 14 gram/mol) + (3 x 1 gram/mol) = 17 gram/mol

Mr F₂ = (2 x Ar F) = (2 x 19 gram/mol) = 38 gram/mol

Mr N₂F₄ = (2 x Ar N + (4 x Ar F) = (2 x 14 gram/mol) + (4 x 19 gram/mol) = 104 gram/mol

 

Hitung mol dari kedua pereaksi yang diketahui massanya :

Mol NH₃ = massa/Mr = 4 gram / 17 gram/mol = 0,2353 mol

Mol F₂ = massa/Mr = 14 gram / 38 gram/mol = 0,3589 mol

 

Untuk mengetahui zat yang menjadi pereaksi pembatas dan zat yang berlebih, kita harus menguji masing-masing pereaksi dan menganggap salah satu pereaksi sebagai pereaksi pembatas.

Jika NH₃ adalah pereaksi pembatas, maka jumlah mol F₂ yang bereaksi adalah:

Mol F₂ = (koefisien F₂ / koefisien NH₃) x mol NH₃ = (5/2) x 0,2353 mol = 0,58825 mol

Jika F₂ adalah pereaksi pembatas, maka jumlah mol NH₃ yang bereaksi adalah:

Mol NH₃ = (koefisien NH₃ / koefisien F₂) x mol F₂ = (2/5) x 0,3589 mol = 0,14356 mol

 

Perhitungan di atas memperlihatkan bahwa jika NH₃ menjadi pereaksi pembatas maka F₂ yang bereaksi sebanyak 0,58825 mol, sementara mol F₂ yang tersedia adalah 0,3589 mol. Maka hal ini tidak mungkin terjadi. Sehingga zat yang paling mungkin menjadi pereaksi pembatas adalah F₂.

 

Mol F₂ menjadi acuan jumlah mol N₂F₄ yang terbentuk:

Mol N₂F₄ = (koefisien N₂F₄ / koefisien F₂) x mol F₂ = (1/5) x 0,3589 mol = 0,07178 mol

Jadi, secara teoritis massa N₂F₄ yang dihasilkan = mol x Mr = 0,07178 mol x 104 gram/mol = 7,46512 gram 

 

Hasil aktual C₆H₅NO₂ yang dihasilkan adalah 4,8 gram, maka:

%hasil N₂F₄ = (4,8 gram / 7,46512 gram) x 100% = 64,299%

Cara Menentukan Pereaksi Pembatas: Contoh Soal dan Jawaban

Secara umum, ketika reaksi kimia dilakukan, salah satu dari pereaksi yang digunakan akan melebihi jumlah yang dibutuhkan. Pereaksi yang tidak berlebihan atau habis bereaksi adalah pereaksi yang akan menentukan berapa banyak produk yang dapat diperoleh dan dengan demikian disebut sebagai pereaksi pembatas. Pereaksi yang memberikan jumlah mol produk yang paling sedikit adalah reagen pembatas. Dengan bantuan pereaksi pembatas, jumlah pereaksi berlebih yang telah bereaksi dan jumlah yang tersisa dapat dihitung. Agar dapat dipahami dengan jelas, simak soal berikut :

Contoh Soal 1:

Sebanyak 100 gram sampel kalsium karbonat bereaksi dengan 70 gram asam fosfat. Hitunglah:

(a) Massa kalsium fosfat yang dihasilkan

(b) Massa pereaksi yang tersisa

Jawaban:

(a) Berikut persamaan reaksi setara dari kalsium karbonat dengan asam fosfat:

3CaCO₃ + 2H₃PO₄ → Ca₃(PO₄)₂ +3CO₂ + 3H₂O

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

Mr H₃PO₄ = (3 x Ar H) + (1 x Ar P) + (4 x Ar O) = (3 x 1 gram/mol) + (1 x 31 gram/mol) + (4 x 16 gram/mol) = 98 gram/mol

Mr Ca₃(PO₄)₂ = (3 x Ar Ca) + (2 x Ar P) + (3 x Ar O) = (3 x 40 gram/mol) + (2 x 31 gram/mol) + (8 x 16 gram/mol) = 310 gram/mol

 

Hitung mol dari kedua pereaksi yang diketahui massanya :

Mol CaCO₃ = massa/Mr = 100 gram / 100 gram/mol = 1 mol

Mol H₃PO₄ = massa/Mr = 70 gram / 98 gram/mol = 0,7143 mol

 

Untuk mengetahui zat yang menjadi pereaksi pembatas dan zat yang berlebih, kita harus menguji masing-masing pereaksi dan menganggap salah satu pereaksi sebagai pereaksi pembatas.

Jika CaCO₃ adalah pereaksi pembatas, maka jumlah mol H₃PO₄ yang bereaksi adalah:

Mol H₃PO₄ = (koefisien H₃PO₄ / koefisien CaCO₃) x mol CaCO₃ = (2/3) x 1 mol = 2/3 mol

Jika H₃PO₄ adalah pereaksi pembatas, maka jumlah mol CaCO₃ yang bereaksi adalah:

Mol CaCO₃ = (koefisien CaCO₃ / koefisien H₃PO₄) x mol H₃PO₄ = (3/2) x 0,7143 mol = 1,07145 mol

 

Perhitungan di atas memperlihatkan bahwa jika H₃PO₄ menjadi pereaksi pembatas maka CaCO₃ yang bereaksi sebanyak 1,07145 mol, sementara mol CaCO₃ yang tersedia adalah 1 mol. Maka hal ini tidak mungkin terjadi. Sehingga zat yang paling mungkin menjadi pereaksi pembatas adalah CaCO₃.

 

Mol CaCO₃ menjadi acuan jumlah mol kalsium fosfat yang terbentuk:

Mol Ca₃(PO₄)₂ = (koefisien Ca₃(PO₄)₂ / koefisien CaCO₃) x mol CaCO₃ = (1/3) x 1 mol = 0,33 mol

Jadi, massa Ca₃(PO₄)₂ = mol x Mr = 0,33 mol x 310 gram/mol = 102,3 gram

 

(b) H₃PO₄ adalah pereaksi yang bersisa. Untuk menghitung massa H₃PO₄ yang bersisa, maka perlu dihitung massa H₃PO₄ yang bereaksi:

Massa H₃PO₄ yang bereaksi = mol H₃PO₄ yang bereaksi x Mr = 2/3 mol x 98 gram/mol = 65,33 gram

Jadi massa H₃PO₄ yang bersisa = massa H₃PO₄ awal - massa H₃PO₄ yang bereaksi = 70 gram - 65,33 gram = 4,67 gram

 

Contoh Soal 2:

Berapa massa maksimum AI(OH)₃ yang dapat dibuat dari reaksi 13,4 gram AlCl₃ dengan 10 gram NaOH menurut persamaan berikut:

AlCl₃ + 3NaOH → AI(OH)₃ + 3NaCl

Jawaban:

Persamaan reaksi setara dari reaksi tersebut adalah:

AlCl₃ + 3NaOH → AI(OH)₃ + 3NaCl

Massa molekul relatif senyawa:

Mr AlCl₃ = (1 x Ar Al) + (3 x Ar Cl) = (1 x 27 gram/mol) + (3 x 35,5 gram/mol) = 133,5 gram/mol

Mr NaOH = (1 x Ar Na) + (1 x Ar O) + (1 x Ar H) = (1 x 23 gram/mol) + (1 x 16 gram/mol) + (1 x 1 gram/mol) = 40 gram/mol

Mr AI(OH)₃ = (1 x Ar Al) + (3 x Ar O) + (3 x Ar H) = (1 x 27 gram/mol) + (3 x 16 gram/mol) + (3 x 1 gram/mol) = 78 gram/mol

 

Hitung mol dari kedua pereaksi yang diketahui massanya :

Mol AlCl₃ = massa/Mr = 13,4 gram / 133,5 gram/mol = 0,1 mol

Mol NaOH = massa/Mr = 10 gram / 40 gram/mol = 0,25 mol

 

Untuk mengetahui zat yang menjadi pereaksi pembatas dan zat yang berlebih, kita harus menguji masing-masing pereaksi dan menganggap salah satu pereaksi sebagai pereaksi pembatas.

Jika AlCL₃ adalah pereaksi pembatas, maka jumlah mol NaOH yang bereaksi adalah:

Mol NaOH = (koefisien NaOH / koefisien AlCl₃) x mol AlCl₃ = (3/1) x 0,1 mol = 0,3 mol

Jika NaOH adalah pereaksi pembatas, maka jumlah mol AlCl₃ yang bereaksi adalah:

Mol AlCl₃ = (koefisien AlCl₃ / koefisien NaOH) x mol NaOH = (1/3) x 0,25 mol = 0,0833 mol

 

Perhitungan di atas memperlihatkan bahwa jika AlCl₃ menjadi pereaksi pembatas maka NaOH yang bereaksi sebanyak 0,3 mol, sementara mol NaOH yang tersedia adalah 0,25 mol. Maka hal ini tidak mungkin terjadi. Sehingga zat yang paling mungkin menjadi pereaksi pembatas adalah NaOH.

 

Mol NaOH menjadi acuan jumlah mol AI(OH)₃ yang terbentuk:

Mol AI(OH)₃ = (koefisien AI(OH)₃ / koefisien NaOH) x mol NaOH = (1/3) x 0,25 mol = 0,0833 mol

Jadi, massa AI(OH)₃ maksimum yang dapat terbentuk = mol x Mr = 0,0833 mol x 78 gram/mol = 6,4974 gram.

 

Contoh Soal 3:

200 gram bongkahan marmer dijatuhkan ke dalam 100 g asam klorida. Hitunglah:

(a) Massa bongkahan marmer yang tersisa

(b) Massa kalsium klorida anhidrat dan gas karbon dioksida yang dihasilkan

Jawaban:

(a) Berikut persamaan reaksi setara dari bongkahan marmer (CaCO₃) dengan asam klorida:

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O

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

Mr HCl = (1 x Ar H) + (1 x Ar Cl) = (1 x 1 gram/mol) + (1 x 35,5 gram/mol) = 36,5 gram/mol

Mr CaCl₂ = (1 x Ar Ca) + (2 x Ar Cl) = (1 x 40 gram/mol) + (2 x 35,5 gram/mol) = 111 gram/mol

 

Hitung mol dari kedua pereaksi yang diketahui massanya :

Mol CaCO₃ = massa/Mr = 200 gram / 100 gram/mol = 2 mol

Mol HCl = massa/Mr = 100 gram / 36,5 gram/mol = 2,739 mol

 

Untuk mengetahui zat yang menjadi pereaksi pembatas dan zat yang berlebih, kita harus menguji masing-masing pereaksi dan menganggap salah satu pereaksi sebagai pereaksi pembatas.

Jika CaCO₃ adalah pereaksi pembatas, maka jumlah mol HCl yang bereaksi adalah:

Mol HCl = (koefisien HCl / koefisien CaCO₃) x mol CaCO₃ = (2/1) x 2 mol = 4 mol

Jika HCl adalah pereaksi pembatas, maka jumlah mol CaCO₃ yang bereaksi adalah:

Mol CaCO₃ = (koefisien CaCO₃ / koefisien HCl) x mol HCl = (1/2) x 2,739 mol = 1,3695 mol

 

Perhitungan di atas memperlihatkan bahwa jika CaCO₃ menjadi pereaksi pembatas maka HCl yang bereaksi sebanyak 4 mol, sementara mol HCl yang tersedia adalah 2,739 mol. Maka hal ini tidak mungkin terjadi. Sehingga zat yang paling mungkin menjadi pereaksi pembatas adalah HCl.

 

CaCO₃ adalah zat yang bersisa. Untuk menghitung massa CaCO₃ yang bersisa, maka perlu dihitung massa CaCO₃ yang bereaksi:

Massa CaCO₃ yang bereaksi = mol CaCO₃ yang bereaksi x Mr = 1,3695 mol x 100 gram/mol = 136,95 gram

Jadi massa CaCO₃ yang bersisa = massa CaCO₃ awal - massa CaCO₃ yang bereaksi = 200 gram - 136,95 gram = 63,05 gram

 

 (b) Mol HCl menjadi acuan jumlah mol kalsium klorida anhidrat dan gas CO₂ yang terbentuk:

Mol CaCl₂ = (koefisien CaCl₂ / koefisien HCl) x mol HCl = (1/2) x 2,739 mol = 1,3695 mol

Jadi, massa CaCl₂ = mol x Mr = 1,3695 mol x 111 gram/mol = 152,0145 gram

Mol CO₂ = (koefisien CO₂ / koefisien HCl) x mol HCl = (1/2) x 2,739 mol = 1,3695 mol

Jadi, massa CO₂ = mol x Mr = 1,3695 mol x 44 gram/mol = 60,258 gram