Cara Menghitung Volume Gas dalam Stoikiometri Lengkap dengan Contoh Soal dan Pembahasan

Untuk menyelesaikan perhitungan yang melibatkan hubungan volume dengan volume mengikuti 2 aturan, yaitu Hukum Gay-Lussac dan hipotesis Avogadro.

Contoh,

Hukum Gay-Lussac menyebutkan bahwa pada suhu dan tekanan yang sama, volume gas-gas yang bereaksi dan hasil reaksi berbanding sebagai bilangan bulat dan sederhana.

2NO   +   O₂   →   2NO₂ (Gay-Lussac's law) -

2 L        2 L         2 L

Hipotesis Avogadro menyebutkan bahwa Gas-gas yang memiliki volume yang sama, pada suhu dan tekanan yang sama, memiliki jumlah molekul yang sama pula.

2NO    +    O₂   →   2NO₂ (hipotesis Avogadro)

2 mol      1 mol        2 mol

2 L         1 L          2 L

Contoh Soal 1:

Berapa liter volume gas oksigen yang diperlukan untuk membakar secara sempurna 20 L gas propana pada suhu 27^oC dan tekanan 760 mmHg?

Jawabannya:

Pertama-tama tulislah persamaan reaksi setara dari pembakaran gas propana:

C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O

Dari reaksi pembakaran C₃H₈, berdasarkan koefisien reaksi ditunjukkan bahwa 1 liter gas C₃H₈ akan bereaksi sempurna dengan 5 liter gas O₂.

V O₂ = (koefisien O₂ / koefisien C₃H₈) x V C₃H₈ = (5/1) x 20 L = 100 L

Jadi, volume O₂ yang dibutuhkan untuk membakar 20 liter gas propana adalah 100 liter.

Contoh Soal 2:

Persentase volume gas C₃H₈ dalam campuran C₃H_8, CH_4, dan CO adalah 36,5 %. Hitung volume gas CO₂ yang dihasilkan ketika 100 mL campuran gas dibakar dengan oksigen berlebih.

Jawabannya:

Persamaan reaksi setara yang terjadi ketika campuran gas dibakar dengan oksigen yaitu sebagai berikut:

(i) C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O

(ii) CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

(iii) CO + 1/2O₂ → CO₂

 

Volume gas C₃H₈ dalam campuran = 36,5% x 100 mL = 36,5 mL

Volume (CH₄ + CO) = (100 - 36,5) mL = 63,5 mL

Volume CH₄ kita misalkan sebagai a mL

Volume CO kita misalkan sebagai b mL

a + b = 63,5 mL

 

Dari ketiga reaksi di atas, berdasarkan koefisien reaksi kita dapat menghitung volume gas CO₂ yang dihasilkan sebagai berikut:

Pada reaksi (i):

V CO₂ = (koefisien CO₂ /koefisien C₃H₈) x V C₃H₈ = (3/1) x 36,5 mL = 109,5 mL

Pada reaksi (ii):

V CO₂ = (koefisien CO₂ /koefisien CH₄) x V CH₄ = (1/1) x a mL = a mL

Pada reaksi (iii):

V CO₂ = (koefisien CO₂ /koefisien CO) x V CO = (1/1) x b mL = b mL

 

Sehingga,

V CO₂ total = V CO₂ pada reaksi (i) + V CO₂ pada reaksi (ii) + V CO₂ pada reaksi (iii)

V CO₂ total = 109,5 + (a + b) =109,5 + 63,5 = 173 mL

Jadi, volume gas CO₂ yang dihasilkan adalah 173 mL.

 

Contoh Soal 3:

Campuran gas 3 liter propana (C₃H₈) dan butana (C₄H₁₀) dibakar sempurna pada suhu 25 ^oC menghasilkan 10 liter CO₂. Tentukan volume gas propana (C₃H₈) dan butana (C₄H₁₀) dalam campuran!

Jawabannya:

Persamaan reaksi setara yang terjadi ketika campuran gas dibakar dengan oksigen yaitu sebagai berikut:

(i) C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O

(ii) C₄H₁₀ + 13/2O₂ → 4CO₂ + 5H₂O

Kita misalkan:

Volume gas C₃H₈ dalam campuran = a liter

Volume gas C₄H₁₀ dalam campuran = (3 - a) liter

Dari kedua reaksi di atas, berdasarkan koefisien reaksi kita dapat menghitung volume gas CO₂ yang dihasilkan sebagai berikut:

Pada reaksi (i):

V CO₂ = (koefisien CO₂ /koefisien C₃H₈) x V C₃H₈ = (3/1) x a L = 3a L

Pada reaksi (ii):

V CO₂ = (koefisien CO₂ /koefisien CH₄) x V C₄H₁₀ = (4/1) x (3-a) L = (12 - 4a) L

Sehingga,

V CO₂ total = V CO₂ pada reaksi (i) + V CO₂ pada reaksi (ii)

10 = 3a + (12-4a)

10 = 12 - a

a = 12 -10

a = 2 liter

Jadi,

Volume gas C₃H₈ = 2 liter

Volume gas C₄H₁₀ = 3 - 2 = 1 liter

Contoh Soal 4:

Pada pembakaran sempurna campuran gas metana (CH₄) dan asetilena (C₂H₂) membutuhkan 22 mL gas oksigen dan dihasilkan 14 mL gas karbon dioksida. Tentukan volume gas metana (CH₄) dan asetilena (C₂H₂) dalam campuran!

Jawabannya:

Persamaan reaksi setara yang terjadi ketika campuran gas dibakar dengan oksigen yaitu sebagai berikut:

(i) CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

(ii) C₂H₂ + 2,5O₂ → 2CO₂ + H₂O

Kita misalkan:

Volume gas CH₄ dalam campuran = a mL

Volume gas C₂H₂ dalam campuran = b mL

Dari kedua reaksi di atas, berdasarkan koefisien reaksi dapat ditentukan:

Pada reaksi (i):

V O₂ = (koefisien O₂ /koefisien CH₄) x V CH₄ = (2/1) x a mL = 2a mL

V CO₂ = (koefisien CO₂ /koefisien CH₄) x V CH₄ = (1/1) x a mL = a mL

Pada reaksi (ii):

V O₂ = (koefisien O₂ /koefisien C₂H₂) x V C₂H₂ = (2,5/1) x b mL = 2,5b mL

V CO₂ = (koefisien CO₂ /koefisien C₂H₂) x V C₂H₂ = (2/1) x b mL = 2b mL

Sehingga diperoleh 2 persamaan:

Pers (1):

V O₂ total = V O₂ pada reaksi (i) + V O₂ pada reaksi (ii)

22 = 2a + 2,5b

Pers (2):

V CO₂ total = V CO₂ pada reaksi (i) + V CO₂ pada reaksi (ii)

14 = a + 2b

14 - 2b = a

Kita substitusikan nilai a = 14 - 2b ke persamaan (1):

22 = 2(14 - 2b) + 2,5b

22 = 28 - 4b + 2,5b

4b - 2,5b = 28 - 22

1,5b = 6

b = 6/1,5

b = 4

Kita substitusikan nilai b = 4 ke persamaan (1):

22 = 2a + 2,5(4)

22 = 2a + 10

22 - 10 = 2a

12 = 2a

a = 12/2

a = 6

Jadi,

Volume gas CH₄ dalam campuran = 6 mL

Volume gas C₂H₂ dalam campuran = 4 mL

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