STOIKIOMETRI

Dalam ilmu kimia, stoikiometri (kadang disebut stoikiometri reaksi untuk membedakannya dari stoikiometri komposisi) adalah ilmu yang mempelajari dan menghitung hubungan kuantitatif dari reaktan dan produk dalam reaksi kimia (persamaan kimia). Kata ini berasal dari bahasa Yunani stoikheion (elemen) dan metriā (ukuran).
Stoikiometri didasarkan pada hukum-hukum dasar kimia, yaitu hukum kekekalan massa, hukum perbandingan tetap, dan hukum perbandingan berganda.

Stoikiometri gas adalah suatu bentuk khusus, dimana reaktan dan produknya seluruhnya berupa gas. Dalam kasus ini, koefisien zat (yang menyatakan perbandingan mol dalam stoikiometri reaksi) juga sekaligus menyatakan perbandingan volume antara zat-zat yang terlibat. a. Tahap awal stoikiometri
Di awal kimia, aspek kuantitatif perubahan kimia, yakni stoikiometri reaksi kimia, tidak mendapat banyak perhatian. Bahkan saat perhatian telah diberikan, teknik dan alat percobaan tidak menghasilkan hasil yang benar.
Salah satu contoh melibatkan teori flogiston. Flogistonis mencoba menjelaskan fenomena pembakaran dengan istilah “zat dapat terbakar”. Menurut para flogitonis, pembakaran adalah pelepasan zat dapat etrbakar (dari zat yang terbakar). Zat ini yang kemudian disebut ”flogiston”. Berdasarkan teori ini, mereka mendefinisikan pembakaran sebagai pelepasan flogiston dari zat terbakar. Perubahan massa kayu bila terbakar cocok dengan baik dengan teori ini. Namun, perubahan massa logam ketika dikalsinasi tidak cocok dengan teori ini. Walaupun demikian flogistonis menerima bahwa kedua proses tersebut pada dasarnya identik. Peningkatan massa logam terkalsinasi adalah merupakan fakta. Flogistonis berusaha menjelaskan anomali ini dengan menyatakan bahwa flogiston bermassa negatif.
Filsuf dari Flanders Jan Baptista van Helmont (1579-1644) melakukan percobaan “willow” yang terkenal. Ia menumbuhkan bibit willow setelah mengukur massa pot bunga dan tanahnya. Karena tidak ada perubahan massa pot bunga dan tanah saat benihnya tumbuh, ia menganggap bahwa massa yang didapatkan hanya karena air yang masuk ke bijih. Ia menyimpulkan bahwa “akar semua materi adalah air”. Berdasarkan pandangan saat ini, hipotesis dan percobaannya jauh dari sempurna, tetapi teorinya adalah contoh yang baik dari sikap aspek kimia kuantitatif yang sedang tumbuh. Helmont mengenali pentingnya stoikiometri, dan jelas mendahului zamannya.
Di akhir abad 18, kimiawan Jerman Jeremias Benjamin Richter (1762-1807) menemukan konsep ekuivalen (dalam istilah kimia modern ekuivalen kimia) dengan pengamatan teliti reaksi asam/basa, yakni hubungan kuantitatif antara asam dan basa dalam reaksi netralisasi. Ekuivalen Richter, atau yang sekarang disebut ekuivalen kimia, mengindikasikan sejumlah tertentu materi dalam reaksi. Satu ekuivalen dalam netralisasi berkaitan dengan hubungan antara sejumlah asam dan sejumlah basa untuk mentralkannya. Pengetahuan yang tepat tentang ekuivalen sangat penting untuk menghasilkan sabun dan serbuk mesiu yang baik. Jadi, pengetahuan seperti ini sangat penting secara praktis.
Pada saat yang sama Lavoisier menetapkan hukum kekekalan massa, dan memberikan dasar konsep ekuivalen dengan percobaannya yang akurat dan kreatif. Jadi, stoikiometri yang menangani aspek kuantitatif reaksi kimia menjadi metodologi dasar kimia. Semua hukum fundamental kimia, dari hukum kekekalan massa, hukum perbandingan tetap sampai hukum reaksi gas semua didasarkan stoikiometri. Hukum-hukum fundamental ini merupakan dasar teori atom, dan secara konsisten dijelaskan dengan teori atom. Namun, menarik untuk dicatat bahwa, konsep ekuivalen digunakan sebelum teori atom dikenalkan.
b. Massa atom relatif dan massa atom
Dalton mengenali bahwa penting untuk menentukan massa setiap atom karena massanya bervariasi untuk setiap jenis atom. Atom sangat kecil sehingga tidak mungkin menentukan massa satu atom. Maka ia memfokuskan pada nilai relatif massa dan membuat tabel massa atom (gambar 1.3) untuk pertamakalinya dalam sejarah manusia. Dalam tabelnya, massa unsur teringan, hidrogen ditetapkannya satu sebagai standar (H = 1). Massa atom adalah nilai relatif, artinya suatu rasio tanpa dimensi. Walaupun beberapa massa atomnya berbeda dengan nilai modern, sebagian besar nilai-nilai yang diusulkannya dalam rentang kecocokan dengan nilai saat ini. Hal ini menunjukkan bahwa ide dan percobaannya benar.
Kemudian kimiawan Swedia Jons Jakob Baron Berzelius (1779-1848) menentukan massa atom dengan oksigen sebagai standar (O = 100). Karena Berzelius mendapatkan nilai ini berdasarkan analisis oksida, ia mempunyai alasan yang jelas untuk memilih oksigen sebagai standar. Namun, standar hidrogen jelas lebih unggul dalam hal kesederhanaannya. Kini, setelah banyak diskusi dan modifikasi, standar karbon digunakan. Dalam metoda ini, massa karbon 12C dengan 6 proton dan 6 neutron didefinisikan sebagai 12,0000. Massa atom dari suatu atom adalah massa relatif pada standar ini. Walaupun karbon telah dinyatakan sebagai standar, sebenarnya cara ini dapat dianggap sebagai standar hidrogen yang dimodifikasi.
Soal Latihan 1.1 Perubahan massa atom disebabkan perubahan standar. Hitung massa atom hidrogen dan karbon menurut standar Berzelius (O = 100). Jawablah dengan menggunakan satu tempat desimal.
Jawab.
Massa atom hidrogen = 1 x (100/16) = 6,25 (6,3), massa atom karbon = 12 x (100/16)=75,0
Massa atom hampir semua unsur sangat dekat dengan bilangan bulat, yakni kelipatan bulat massa atom hidrogen. Hal ini merupakan kosekuensi alami fakta bahwa massa atom hidrogen sama dengan massa proton, yang selanjutnya hampir sama dengan massa neutron, dan massa elektron sangat kecil hingga dapat diabaikan. Namun, sebagian besar unsur yang ada secara alami adalah campuran beberapa isotop, dan massa atom bergantung pada distribusi isotop. Misalnya, massa atom hidrogen dan oksigen adalah 1,00704 dan 15,9994. Massa atom oksigen sangat dekat dengan nilai 16 agak sedikit lebih kecil.
Contoh Soal 1.2 Perhitungan massa atom. Hitung massa atom magnesium dengan menggunakan distribsui isotop berikut: 24Mg: 78,70%; 25Mg: 10,13%, 26Mg: 11,17%.
Jawab:
0,7870 x 24 + 0,1013 x 25 +0,1117 x 26 = 18,89+2,533+2,904 = 24,327(amu; lihat bab 1.3(e))
Massa atom Mg = 18,89 + 2,533 + 2,904 =24.327 (amu).
Perbedaan kecil dari massa atom yang ditemukan di tabel periodik (24.305) hasil dari perbedaan cara dalam membulatkan angkanya.
Massa molekul dan massa rumus
Setiap senyawa didefinisikan oelh rumus kimia yang mengindikasikan jenis dan jumlah atom yang menyususn senyawa tersebut. Massa rumus (atau massa rumus kimia) didefinisikan sebagai jumlah massa atom berdasarkan jenis dan jumlah atom yang terdefinisi dalam rumus kimianya. Rumus kimia molekul disebut rumus molekul, dan massa rumus kimianya disebut dengan massa molekul.5 Misalkan, rumus molekul karbon dioksida adalah CO2, dan massa molekularnya adalah 12 +(2x 6) = 44. Seperti pada massa atom, baik massa rumus dan massa molekul tidak harus bilangan bulat. Misalnya, massa molekul hidrogen khlorida HCl adalah 36,5. Bahkan bila jenis dan jumlah atom yang menyusun molekul identik, dua molekul mungkin memiliki massa molekular yang berbeda bila ada isostop berbeda yang terlibat.
Tidak mungkin mendefinisikan molekul untuk senyawa seperti natrium khlorida. Massa rumus untuk NaCl digunakan sebagai ganti massa molekular.
Contoh Soal 1.3 Massa molekular mokelul yang mengandung isotop.
Hitung massa molekular air H2O dan air berat D2O (2H2O) dalam bilangan bulat.
Jawab
Massa molekular H2O = 1 x 2 + 16 = 18, massa molekular D2O = (2 x 2) + 16 = 20
Perbedaan massa molekular H2O dan D2O sangat substansial, dan perbedaan ini sifat fisika dan kimia anatara kedua jenis senyawa ini tidak dapat diabaikan. H2O lebih mudah dielektrolisis daripada D2O. Jadi, sisa air setelah elektrolisis cenderung mengandung lebih banyak D2O daripada dalam air alami.
d. Kuantitas materi dan mol
Metoda kuantitatif yang paling cocok untuk mengungkapkan jumlah materi adalah jumlah partikel seperti atom, molekul yang menyusun materi yang sedang dibahas. Namun, untuk menghitung partikel atom atau molekul yang sangat kecil dan tidak dapat dilihat sangat sukar. Alih-alih menghitung jumlah partikel secara langsung jumlah partikel, kita dapat menggunakan massa sejumlah tertentu partikel. Kemudian, bagaimana sejumlah tertentu bilangan dipilih? Untuk
menyingkat cerita, jumlah partikel dalam 22,4 L gas pada STP (0℃, 1atm) dipilih sebagai jumlah standar. Bilangan ini disebut dengan bilangan Avogadro. Nama bilangan Loschmidt juga diusulkan untuk menghormati kimiawan Austria Joseph Loschmidt (1821-1895) yang pertama kali dengan percobaan (1865).
Sejak 1962, menurut SI (Systeme Internationale) diputuskan bahwam dalam dunia kimia, mol digunakan sebagai satuan jumlah materi. Bilangan Avogadro didefinisikan jumlah atom karbon dalam 12 g 126C dan dinamakan ulang konstanta Avogadro.
Ada beberapa definisi “mol”:
(i) Jumlah materi yang mengandung sejumlah partikel yang terkandung dalam 12 g 12C. (ii) satu mol materi yang mengandung sejumlah konstanta Avogadro partikel.
(iii) Sejumlah materi yang mengandung 6,02 x 1023 partikel dalam satu mol.
e. Satuan massa atom (sma)
Karena standar massa atom dalam sistem Dalton adalah massa hidrogen, standar massa dalam SI tepat 1/12 massa 12C. Nilai ini disebut dengan satuan massa atom (sma) dan sama dengan 1,6605402 x 10–27 kg dan D (Dalton) digunakan sebagai simbolnya. Massa atom didefinisikan sebagai rasio rata-rata sma unsur dengan distribusi isotop alaminya dengan 1/12 sma 12C.

Reaksi Kimia

Reaksi kimia adalah suatu proses dimana zat – zat baru yaitu produk / hasil reaksi terbentuk dari beberapa zat aslinya, yang disebut pereaksi. Biasanya suatu reaksi kimia disertai oleh kejadian – kejadian fisis, seperti perubahan warna, pembentukan endapan atau timbulnya gas.

Secara umum dikenal 5 macam reaksi yaitu :

1.      Reaksi kombinasi

Reaksi dua zat atau lebih zat (baik unsur atau senyawa) yang bereaksi membentuk satu hasil reaksi.

Beberapa jenis reaksi kombinasi

a.       Logam + bukan logam      →  senyawa biner

b.      Bukan logam + oksigen    →  oksida bukan logam

c.       Oksida logam + air           →  hidroksida logam (basa)

2.      Reaksi pertukaran

Kebanyakan dari jenis reaksi salah satu pereaksinya adalah logam yang akan menggantikan ion logam lain dari larutan. Contoh :

Fe + CuSO₄ → FeSO₄  + Cu

3.      Reaksi netralisasi

Reaksi netralisasi terjadi pada suatu asam atau oksida asam bereaksi dengan basa atau oksida basa membentuk garam dan air. Contoh :

Asam + Basa → Garam + Air

4.      Metatesis

Reaksi penggantian ganda, yang mana dua senyawa saling berganti ion atau ikatan untuk membentuk senyawa yang berbeda.

NaCl + AgNO₃ → NaNO₃ + AgCl

Ciri – ciri terjadinya reaksi :

o   Menghasilkan endapan

o   Menghasilkan perubahan warna

o   Menghasilkan gas / gelembung

o   Perubahan suhu

o   Baunya

Ada empat jenis reaksi yang dilakukan dalam percobaan ini yaitu reaksi kombinasi, reaksi dekomposisi, reaksi substitusi dan reaksi metatesis (penggantian ganda).

Percobaan pertama adalah reaksi kombinasi. Alat dan bahan yang digunakan adalah aluminium foil. Cara kerjanya yaitu aluminium foil dibakar sisinya dengan pembakar spiritus. Sisi yang lainnya dijepit dengan gegep. Setelah dibakar terjadi perubahan pada aluminium foil, dimana terlihat perubahan warna yang menandakan terjadinya reaksi yaitu dari sebelumnya berwarna perak berubah menjadi abu – abu keemasan.

Percobaan kedua adalah reaksi dekomposisi. Alat dan bahan yang digunakan adalah pembakar spiritus, tabung reaksi, gegep, KBrO₃ dan KBr dan korek api sebagai penanda terjadinya reaksi. Cara kerjanya adalah masukkan KBrO₃ dan KBr dalam masing – masing tabung reaksi secukupnya, lalu dijepit dengan gegep dan kemudian dibakar diatas pembakar spiritus, dinyalakan korek api dan disimpan diatas tabung reaksi dan dilihat apakah terjadi reaksi. Reaksi yang terjadi pada korek api yang disimpan diatas KBrO_3, nyala api dari korek api semakin besar, sedangkan KBr menyala seperti biasa saja. Hal ini terjadi akibat KBrO₃ tadi bereaksi menghasilkan KBr + O_2, dimana O₂ inilah yang menyebabkan nyala api lebih membesar dan juga terlihat adanya uap pada tabung reaksi yang membuat sampel terlihat terangkat keatas. Pada KBr tidak terjadi perubahan pada nyala api karena senyawanya tidak mengandung O₂.

Percobaan ketiga yaitu reaksi substitusi. Alat dan bahan yang digunakan adalah 6 buah tabung reaksi, Fe + H₂SO₄, Fe + NaOH, Fe + HCl, Al + H₂SO₄, Al + NaOH, Al + HCl. Cara kerjanya adalah dimasukkan masing – masing sampel pada tabung reaksi, lalu dikocok dan diamati perubahan yang terjadi. Pada sampel Fe + H₂SO₄ terjadi perubahan timbul gelembung / gas dan terdapat endapan perak, hal ini terjadi karena Fe + H₂SO₄ → Fe SO₄ + 2H⁺. Pada sampel  Fe + NaOH tidak terjadi perubahan warna karena Fe + NaOH → Fe(OH)₃ + Na⁺. Pada sampel Fe + HCl terjadi reaksi dilihat dengan adanya gelembung / gas, warnanya berubah menjadi abu – abu dan pada tabung reaksi berubah menjadi panas. Pada sampel Al + H₂SO₄ terjadi reaksi yaitu ditandai dengan bau menyengat yang keluar dari tabung reaksi. Pada sampel Al + HCl tidak terjadi reaksi apa – apa .

Percobaan keempat yaitu reaksi metatesis. Alat dan bahan yang digunakan adalah 6 tabung reaksi untuk menyimpan sampel dimana sampel yang digunakan adalah HCl + NaOH, FeCl + NaOH, KBr + AgNO₃, NaCl + AgNO_3, CaCl₂ + H₂SO_4, AgNO₃ + HCl, rak tabung reaksi untuk menyimpan tabung reaksi, pipet tetes untuk mengambil dan menyimpan sampel pada tabung reaksi.

Adapun cara kerja dari reaksi metatesis, pertama – tama disiapkan alat dan bahan yang akan digunakan. Diambil 6 btabung reaksi dan masing – masing tabung reaksi diberi label yang bertuliskan berbagai reaksi – reaksi berikut : HCl + NaOH, FeCl + NaOH, KBr + AgNO₃, NaCl + AgNO_3, CaCl₂ + H₂SO₄ dan  AgNO₃ + HCl. Diambil masing – masing sampel diatas dengan menggunakan pipet tetes lalu dimasukkan kedalam masing – masing tabung reaksi. Dan dikocok, lalu didiamkan pada rak tabung reaksi selama beberapa menit dan diamati perubahan yang terjadi, apakah terjadi reaksi atau tidak dan dicatat hasilnya. Hasil yang didapatkan untuk sampel HCl + NaOH tidak terjadi reaksi karena HCl + NaOH → NaCl + air (H₂O), pada sampel FeCl + NaOH → Fe(OH)₃ + NaCl, pada tabung reaksi berubah menjadi sedikit panas. Pada sampel KBr + AgNO₃ terjadi perubahan reaksi ditandai dengan warna menjadi hijau dan terjadi endapan. Reaksi KBr + AgNO₃ → KNO₃ + AgBr. Pada sampel NaCl + AgNO₃ terjadi reaksi ditandai dengan adanya endapan putih dan tabung reaksi terasa panas. Pada sampel NaCl + AgNO₃ → NaNO₃ + AgCl. Pada sampel CaCl₂ + H₂SO₄ terjadi perubahan reaksi ditandai dengan perubahan warna pada sampel dimana dari bening menjadi putih dan tabung reaksi terasa panas. Pada sampel ini terjadi reaksi CaCl₂ + H₂SO₄ → CaSO₄ + 2HCl. Pada sampel AgNO₃ + HCl → AgCl + HNO₃ tidak terjadi reaksi.

Pada reaksi kombinasi, Aluminium foil setelah dibakar berubah menjadi abu – abu keemasan, hal ini berarti Al sudah bereaksi dengan O₂ sehingga menjadi Al₂O₃ (4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃). Hal ini serupa dengan literatur yakni Aluminium foil dibakar akan menghasilkan senyawa baru yaitu Al₂O_3.

Pada reaksi dekomposisi, untuk amonium karbonat setelah dipanaskan dan diletakkan kertas lakmus dimulut tabung reaksi akan berubah kertas lakmus merah menjadi biru dan juga bau amonia muncul, hal ini menandakan (NH₃)₂CO₂ sudah bereaksi dan berubah menjadi 2NH₃ + CO₂ dimana NH₃ bersifat basa. Untuk KBrO₃, nyala api makin membesar ketika dipanaskan. Hal ini berarti KBrO₃ terdekomposisi menjadi KBr + O₂ sehingga O₂ membesarkan nyala api sedangkan pada KBr terdekomposisi menjadi K⁺ + B^- (tidak ada O₂).

Pada reaksi substitusi, untuk Fe + H₂SO₄ terjadi reaksi ditandai dengan gelembung dan ada endapan perak dimana membuktikan Fe + H₂SO₄ tersubstitusi menjadi FeSO₄ + 2 H⁺ (A + BC → AC + B). Untuk Fe + NaOH ≠ karena Fe tidak bisa mereduksi Na yang ada disebelah kanan. Pada sampel Fe + HCl terjadi perubahan warna menjadi warna abu – abu. Hal ini menandakan bahwa Fe + HCl bereaksi menjadi FeCl₃ + H⁺. Pada sampel Al + H₂SO₄ terjadi reaksi dilihat dari bau yang menyengat (Al +  H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 6H⁺). Pada sampel Al + NaOH → Al(OH)₃ + Na⁺ dilihat dari hasil reaksinya dimana adanya gelembung. Dan pada Al + HCl ≠.

Pada sampel HCl + NaOH, larutan terlihat jernih dan seakan – akan tidak terlihat bereaksi. Hal ini disebabkan karena apabila HCl ditambahkan NaOH maka akan menjadi NaCl + H₂O dimana NaCl adalah garam yang larut dalam air sehingga praktikan tidak dapat membedakan apakah sudah terjadi reaksi atau belum. Kita dapat melihat HCl + NaOH bereaksi apabila konsentrasinya 0,6 M maka reaksi yang akan terjadi menyebabkan tabung reaksi panas.

Pada sampel AgNO₃ + HCl, larutan terlihat jernih dan seakan – akan tidak terlihat bereaksi. Hal ini disebabkan karena apabila AgNO₃ ditambahkan HCl maka akan menjadi AgCl + HNO₃ dimana AgCl adalah garam dan HNO₃ adalah senyawa asam. Jadi kedua larut sehingga tidak terlihat reaksinya.

            Deret Volta

K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cu, Fe, N, CO, Sn, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Pt, dan Au.

Ket : semakin kekanan semakin mudah direduksi dan sukar dioksidasi. Sebaliknya semakin kekiri, semakin mudah dioksidasi dan sukar direduksi.

Tanda – tanda terjadinya reaksi kimia adalah sebagai berikut :

1.      Terjadi perubahan warna

Pada reaksi kimia, reaktan diubah menjadi produk. Perubahan yang terjadi dapat disebabkan adanya pemutusan ikatan – ikatan antar atom reaktan dan pembentukan ikatan baru yang membentuk produk. Untuk memutuskan ikatan diperlukan energi. Untuk membentuk ikatan  yang baru dilepaskan sejumlah energi. Jadi pada reaksi kimia terjadi perubahan energi seperti pada reaksi substitusi dimana Fe + H₂SO₄ menjadi warna perak. Pada reaksi metatesis yaitu pada sampel KBr + AgNO₃ warna menjadi hijau, reaksi kombinasi Alfol dari warna perak menjadi abu- abu keemasan.

2.      Terjadi perubahan suhu

Reaksi kimia yang menghasilkan energi dalam bentuk panas disebut dengan reaksi eksotermia, sedangkan reaksi yang menyerap panas disebut reaksi endotermia. Pada reaksi eksotermis, terjadi perpindahan energi panas dari sistem ke lingkungan. Pada reaksi endotermis terjadi perpindahan energi panas dari lingkungan ke sistem. Seperti pada reaksi substitusi, sampel Fe + HCl, tabung reaksi dirasakan panas, pada reaksi metatesis sampel NaCl + AgNO₃, CaCl₂ + H₂SO₄ tabung reaksi dirasakan panas. Hal ini berarti terjadi pengikatan energi yang mengakibatkan tabung reaksi panas / terjadi reaksi (endotermis). Sedangkan pada Al + NaOH tabung reaksi dingin, hal ini berarti terjadi proses eksotermis.

3.      Terjadi endapan

Ketika mereaksikan dua larutan dalam sebuah tabung reaksi, kadang – kadang terbentuk suatu senyawa yang tidak larut, berbentuk padat, dan terpisah larutannya. Padatan itu disebut dengan endapan (prespitat) seperti pada reksi substitusi yaitu pada sampel Fe + H₂SO₄ terdapat endapan, pada sampel KBr + AgNO₃ terdapat endapan.

4.      Terjadi pembentukan gas

Secara sederhana, dalam reaksi kimia adanya gas yang berbentuk ditunjukkan dengan adanya gelembung – gelembung dalam larutan yang direaksikan. Adanya gas dapat diketahui dari baunya yang khas seperti pada reaksi substitusi yaitu pada sampel Fe + H₂SO₄, pada sampel Fe + HCl, pada sampel Al + NaOH dan Al +  H₂SO_4.

Adapun kesalahan – kesalahan yang sering digunakan dalam percobaan adalah kesalahan dalam pemasukan jumlah sampel contohnya pada reaksi metatesis sampel dimasukkan adalah 1 : 1, kesalahan pengamat yang kurang teliti dalam melihat perubahan reaksi yang terjadi

Adapun hubungan jenis – jenis reaksi kimia dengan farmasi yaitu dalam pembuatan obat – obat sintetik seperti yang kita ketahui bahwa sumber daya alam sekarang ini sudah menipis, sehingga diciptakanlah obat sintetis dimana obat tersebut adalah hasil reaksi senyawa – senyawa yang menghasilkan senyawa baru yang digunakan sebagai obat dan adapun  setelah dikonsumsi, obat tersebut akan bereaksi dalam tubuh dengan cara gugus – gugus yang ada pada obat akan diterima oleh reseptor, kemudian akan berefek pada sumber rasa sakit.