Hukum Dasar Kimia di Sekitar Kita

Menelusuri hukum-hukum dasar yang melandasi reaksi kimia: kekekalan massa (Lavoisier), perbandingan tetap (Proust), perbandingan berganda (Dalton), perbandingan volume gas (Gay-Lussac) dan hipotesis Avogadro, serta peranannya di kehidupan sehari-hari.

Tujuan Pembelajaran (7)

IPA-E.PI9Menganalisis reaksi kimia, hukum dasar kimia untuk memecahkan permasalahan lingkungan.
IPA-E.PI9.1Menyetarakan persamaan reaksi kimia berdasarkan jumlah atom tiap unsur di kedua sisi reaksi.
IPA-E.PI9.2Menerapkan hukum kekekalan massa (Lavoisier) pada reaksi kimia di sistem tertutup.
IPA-E.PI9.3Menerapkan hukum perbandingan tetap (Proust) untuk menentukan komposisi unsur dalam suatu senyawa.
IPA-E.PI9.4Menerapkan hukum perbandingan berganda (Dalton) pada pasangan senyawa yang dibentuk dari unsur yang sama.
IPA-E.PI9.5Menerapkan hukum perbandingan volume gas (Gay-Lussac) dan hipotesis Avogadro pada reaksi yang melibatkan gas.
IPA-E.PI9.6Memecahkan masalah kontekstual (termasuk isu lingkungan) dengan menggunakan reaksi kimia dan hukum dasar kimia.

Hukum Dasar Kimia di Sekitar Kita

Ketika kayu dibakar, massanya tampak berkurang. Ketika besi berkarat, massanya justru dapat bertambah. Apakah kedua peristiwa itu melanggar kekekalan massa? Tidak. Perubahan yang terlihat hanya sebagian dari keseluruhan sistem. Gas dari pembakaran dapat lepas ke udara, sedangkan besi yang berkarat mengikat oksigen dari udara.

Kimia membantu kita memeriksa perubahan tersebut dengan bukti kuantitatif. Rumus zat menunjukkan jenis dan perbandingan atom, persamaan reaksi menunjukkan susunan ulang atom, sedangkan hasil pengukuran massa atau volume membantu menguji apakah model yang digunakan sesuai dengan data.

Bab ini membahas empat hukum dasar kimia: kekekalan massa, perbandingan tetap, perbandingan berganda, dan perbandingan volume gas. Sebelum menggunakannya, kamu akan berlatih mengenali reaksi kimia dan menyetarakan persamaan reaksi. Hipotesis Avogadro kemudian membantu menghubungkan koefisien reaksi dengan jumlah partikel, mol, dan volume gas pada kondisi yang sama.

Peta hubungan bukti reaksi, persamaan setara, dan empat hukum dasar kimia

Dalam bab ini kamu akan belajar:

mengenali bukti yang mendukung terjadinya reaksi kimia;
membedakan koefisien, indeks, rumus kimia, dan simbol keadaan zat;
menyetarakan persamaan reaksi tanpa mengubah rumus zat;
menggunakan hukum Lavoisier untuk menelusuri massa dalam sistem;
menggunakan hukum Proust untuk menentukan komposisi tetap suatu senyawa;
menggunakan hukum Dalton untuk membandingkan dua senyawa yang tersusun dari unsur yang sama;
menggunakan hukum Gay-Lussac pada perbandingan volume gas;
menjelaskan kaitan hipotesis Avogadro dengan koefisien reaksi gas;
menafsirkan data reaksi pada persoalan sehari-hari dan lingkungan.

Pertanyaan Pemantik

Mengapa massa abu lebih kecil daripada massa kayu sebelum dibakar?
Mengapa kita boleh mengubah koefisien, tetapi tidak boleh mengubah indeks pada rumus kimia saat menyetarakan reaksi?
Apakah air dari sumber yang berbeda tetap mempunyai perbandingan massa hidrogen dan oksigen yang sama?
Bagaimana dua unsur yang sama dapat membentuk lebih dari satu senyawa?
Kapan koefisien reaksi dapat langsung dipakai sebagai perbandingan volume gas?
Mengapa batas sistem dan kondisi pengukuran harus dinyatakan ketika menganalisis data reaksi?

Keselamatan Dasar

Jangan mencicipi, menghirup langsung, atau mencampurkan bahan kimia tanpa petunjuk guru. Reaksi yang menghasilkan gas tidak boleh dilakukan dalam wadah kaku yang tertutup rapat karena tekanan dapat meningkat. Gunakan kacamata pelindung, bekerja dengan jumlah bahan yang ditentukan, jauhkan bahan mudah terbakar dari nyala api, dan buang sisa bahan sesuai prosedur laboratorium.

Teori - Hukum Dasar Kimia di Sekitar Kita

1. Mengenali Reaksi Kimia

Dalam reaksi kimia, atom-atom tidak berubah menjadi atom jenis lain. Atom-atom tersebut tersusun ulang sehingga menghasilkan zat dengan komposisi dan sifat berbeda. Beberapa gejala yang dapat menyertai reaksi adalah:

perubahan warna yang bukan sekadar pengenceran;
terbentuk gas;
terbentuk endapan;
perubahan suhu tanpa pemanasan atau pendinginan dari luar;
muncul cahaya atau bau baru.

Satu gejala saja belum selalu membuktikan reaksi. Air mendidih menghasilkan gelembung, tetapi proses itu merupakan perubahan fisika. Kesimpulan perlu didukung konteks, pengukuran, atau bukti terbentuknya zat baru.

Persamaan reaksi merangkum zat sebelum dan sesudah perubahan:

\text{reaktan} \longrightarrow \text{produk}

Contoh pembakaran sempurna metana:

\mathrm{CH_4(g) + 2O_2(g) \rightarrow CO_2(g) + 2H_2O(g)}

Simbol keadaan yang sering dipakai adalah $(s)$ untuk padat, $(l)$ untuk cair, $(g)$ untuk gas, dan $(aq)$ untuk zat yang terlarut dalam air.

2. Menyetarakan Persamaan Reaksi

Persamaan dikatakan setara jika jumlah atom setiap unsur di ruas kiri sama dengan jumlah atom unsur itu di ruas kanan. Penyetaraan dilakukan dengan mengubah koefisien, yaitu angka di depan rumus. Indeks di dalam rumus tidak boleh diubah karena perubahan indeks berarti perubahan identitas atau komposisi zat.

Misalnya, persamaan pembentukan air yang belum setara adalah:

\mathrm{H_2 + O_2 \rightarrow H_2O}

Tambahkan koefisien sehingga jumlah H dan O pada kedua ruas sama:

\mathrm{2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O}

Sekarang terdapat 4 atom H dan 2 atom O di setiap ruas.

Model partikel untuk memeriksa jumlah atom sebelum dan sesudah reaksi pembentukan air

Langkah yang dapat digunakan:

Tulis rumus reaktan dan produk dengan benar.
Hitung jumlah atom setiap unsur di kedua ruas.
Ubah koefisien satu zat pada satu waktu.
Dahulukan unsur yang muncul pada sedikit jenis zat.
Periksa kembali semua unsur dan sederhanakan koefisien menjadi bilangan bulat terkecil.

Contoh:

\mathrm{C_3H_8 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O}

Setarakan C menjadi $3CO_2$ , lalu H menjadi $4H_2O$ . Di kanan terdapat $3(2)+4(1)=10$ atom O, sehingga di kiri diperlukan $5O_2$ .

\mathrm{C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O}

Koefisien memberi perbandingan jumlah partikel dan jumlah mol. Persamaan tersebut berarti 1 molekul propana bereaksi dengan 5 molekul oksigen, atau 1 mol propana bereaksi dengan 5 mol oksigen.

3. Mol dan Hipotesis Avogadro

Jumlah partikel dalam sampel berukuran sehari-hari sangat besar. Karena itu, kimiawan menggunakan satuan mol:

1\ \text{mol} = 6{,}022 \times 10^{23}\ \text{partikel}

Jenis partikel harus disebutkan, misalnya atom, molekul, atau ion. Angka tersebut disebut konstanta Avogadro.

Hipotesis Avogadro menyatakan bahwa volume gas yang sama pada suhu dan tekanan yang sama mengandung jumlah partikel yang sama. Akibatnya, untuk zat-zat berwujud gas pada kondisi yang sama, perbandingan koefisien dapat dibaca sebagai perbandingan jumlah molekul, jumlah mol, dan volume gas.

Hubungan ini tidak berarti semua gas bermassa sama. Molekul yang berbeda memiliki massa berbeda meskipun jumlah molekulnya sama.

4. Hukum Kekekalan Massa - Lavoisier

Hukum kekekalan massa menyatakan bahwa dalam reaksi kimia, massa total reaktan sama dengan massa total produk jika seluruh zat yang terlibat diperhitungkan.

m_{\text{reaktan}} = m_{\text{produk}}

Reaksi antara besi dan belerang dapat digambarkan sebagai:

\mathrm{Fe(s) + S(s) \rightarrow FeS(s)}

Jika $5{,}6$ g Fe bereaksi tepat dengan $3{,}2$ g S, massa FeS yang terbentuk adalah:

5{,}6\ \text{g} + 3{,}2\ \text{g} = 8{,}8\ \text{g}

Neraca massa sistem tertutup sebelum dan sesudah reaksi yang menghasilkan gas

Sistem terbuka dan sistem tertutup

Sistem tertutup tidak bertukar materi dengan lingkungan. Massa sebelum dan sesudah reaksi dapat dibandingkan langsung jika tidak ada kebocoran.
Sistem terbuka dapat menerima atau melepaskan materi. Data yang ditimbang hanya pada wadah dapat tampak bertambah atau berkurang.

Pada pembakaran kayu, sebagian produk berupa gas dan partikel asap meninggalkan tempat penimbangan. Pada perkaratan, besi menerima oksigen dari udara. Kedua kasus tetap memenuhi kekekalan massa jika massa semua reaktan dan produk, termasuk gas, diperhitungkan.

5. Hukum Perbandingan Tetap - Proust

Hukum Proust menyatakan bahwa unsur-unsur dalam suatu senyawa murni selalu memiliki perbandingan massa tetap. Air murni selalu tersusun dari H dan O dengan perbandingan massa:

m_{\mathrm{H}} : m_{\mathrm{O}} = 2(1) : 16 = 1 : 8

Jika tersedia 2 g H dan 20 g O, hanya 16 g O yang diperlukan untuk bereaksi dengan 2 g H. Produk air yang terbentuk 18 g dan 4 g O tersisa.

Untuk senyawa $A_xB_y$ , perbandingan massa unsur dapat diperkirakan dari massa atom relatif:

m_A : m_B = xA_r(A) : yA_r(B)

Fraksi massa unsur $A$ adalah:

\text{fraksi massa } A = \frac{xA_r(A)}{M_r(A_xB_y)}

Hukum Proust berlaku untuk senyawa murni, bukan untuk campuran. Air garam dari dua pantai dapat memiliki kadar garam berbeda karena air garam adalah campuran. Namun, natrium klorida murni di dalamnya tetap memiliki komposisi Na dan Cl yang tetap.

6. Hukum Perbandingan Berganda - Dalton

Hukum Dalton digunakan ketika dua unsur yang sama membentuk lebih dari satu senyawa. Jika massa salah satu unsur dibuat tetap, massa unsur lainnya yang bergabung berbanding sebagai bilangan bulat sederhana.

Karbon dan oksigen membentuk CO serta $CO_2$ .

Senyawa	Massa C	Massa O	Massa O untuk 12 g C
CO	12 g	16 g	16 g
$CO_2$	12 g	32 g	32 g

Untuk massa C yang sama, perbandingan massa O adalah:

16 : 32 = 1 : 2

Perbedaan data perbandingan tetap Proust dan perbandingan berganda Dalton

Perbedaan pentingnya:

Proust membandingkan komposisi unsur dalam satu senyawa yang sama dari berbagai sampel.
Dalton membandingkan komposisi dua atau lebih senyawa berbeda yang tersusun dari pasangan unsur sama.

Sebelum menerapkan hukum Dalton, samakan dahulu massa salah satu unsur. Perbandingan langsung dari data yang massa acuannya belum sama dapat menghasilkan kesimpulan keliru.

7. Hukum Perbandingan Volume - Gay-Lussac

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

Untuk pembentukan uap air:

\mathrm{2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(g)}

Perbandingan volumenya adalah:

V_{\mathrm{H_2}} : V_{\mathrm{O_2}} : V_{\mathrm{H_2O(g)}} = 2 : 1 : 2

Hubungan koefisien, jumlah molekul, dan volume gas pada suhu serta tekanan yang sama

Jika 60 mL $H_2$ dicampur dengan 40 mL $O_2$ pada kondisi sama, 60 mL $H_2$ memerlukan 30 mL $O_2$ dan menghasilkan 60 mL uap air. Tersisa 10 mL $O_2$ .

Perbandingan koefisien hanya dapat digunakan langsung untuk volume zat yang semuanya berupa gas dan dibandingkan pada suhu serta tekanan yang sama. Volume cairan atau padatan tidak mengikuti aturan ini. Jika uap air didinginkan menjadi cairan, volumenya tidak lagi mengikuti rasio 2 : 1 : 2.

8. Strategi Memecahkan Masalah

Gunakan urutan berikut agar hukum yang dipilih sesuai dengan data:

Tentukan sistem dan zat apa saja yang diperhitungkan.
Tulis serta setarakan persamaan reaksinya.
Tandai besaran yang diketahui: massa, volume gas, komposisi, atau jumlah mol.
Pilih hukum yang sesuai dengan jenis perbandingan.
Samakan satuan dan, untuk Dalton, samakan massa unsur acuan.
Hitung zat yang bereaksi, produk, dan zat yang tersisa.
Uji kewajaran hasil terhadap kekekalan massa dan kondisi soal.

Contoh pembakaran sempurna metana:

\mathrm{CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O}

Dengan $A_r(\mathrm{H})=1$ , $A_r(\mathrm{C})=12$ , dan $A_r(\mathrm{O})=16$ :

16\ \text{g CH}_4 + 64\ \text{g O}_2 \rightarrow 44\ \text{g CO}_2 + 36\ \text{g H}_2\text{O}

Massa kedua ruas sama-sama 80 g. Dalam pengukuran emisi nyata, hasil dapat tampak tidak lengkap jika uap air, gas lain, bahan bakar tersisa, atau partikel tidak ikut diukur. Hukum kekekalan massa membantu menunjukkan data apa yang masih perlu dicari; hukum itu tidak menggantikan pengukuran seluruh produk.

9. Penyelidikan dan Keselamatan

Hukum Lavoisier dapat diuji dengan reaksi yang menghasilkan gas bila sistem dirancang agar materi tidak lepas, misalnya wadah tertutup yang dilengkapi penampung gas fleksibel. Massa seluruh rangkaian ditimbang sebelum dan sesudah reaksi. Wadah kaku tidak boleh ditutup rapat untuk reaksi pembentuk gas karena tekanan dapat meningkat.

Data yang baik mencantumkan:

massa seluruh sistem sebelum dan sesudah reaksi;
ketelitian neraca;
bahan serta jumlahnya;
kondisi yang dijaga tetap;
tanda kebocoran atau tumpahan;
pengulangan pengukuran dan ketidakpastiannya.

Selisih kecil dalam data eksperimen tidak otomatis membantah hukum. Selisih dapat berasal dari resolusi neraca, kebocoran, penguapan, tumpahan, atau prosedur penimbangan yang tidak konsisten. Kesimpulan harus membedakan model ilmiah dari keterbatasan pengukuran.

Ringkasan

Konsep	Pertanyaan yang dijawab	Syarat penting
Persamaan setara	Apakah jumlah atom setiap unsur sama di kedua ruas?	ubah koefisien, bukan indeks
Lavoisier	Ke mana massa reaktan berpindah?	semua materi dalam sistem diperhitungkan
Proust	Apakah komposisi satu senyawa murni tetap?	bandingkan senyawa yang sama
Dalton	Bagaimana pasangan unsur membentuk beberapa senyawa?	samakan massa salah satu unsur
Gay-Lussac	Bagaimana rasio volume gas dalam reaksi?	gas diukur pada suhu dan tekanan sama
Avogadro	Mengapa rasio koefisien sesuai dengan rasio volume gas?	volume sama pada kondisi sama memuat jumlah partikel sama