Volume Gas dan Jembatan Mol

Berkenalan dengan Mol

Mol adalah satuan jumlah benda seperti lusin, yang menjadi jembatan untuk menghubungkan massa makroskopis dengan jumlah partikel.

Bayangkan kamu membeli telur di pasar. Penjual biasanya mengelompokkan telur dalam satuan lusin—$1\text{ lusin}$ selalu berisi $12\text{ butir}$ telur. Satu lusin telur ini memiliki massa tertentu (misalnya $1\text{ kg}$) dan membutuhkan wadah berukuran tertentu (seperti $1\text{ karton}$ telur).

Di dunia kimia, partikel seperti atom dan molekul gas berukuran teramat kecil sehingga kita tidak mungkin menghitung butirannya satu per satu. Oleh karena itu, para kimiawan menggunakan satuan mol sebagai "lusin" versi kimia. Ketika kita menimbang zat dalam satuan gram di timbangan laboratorium, kita mengonversinya ke satuan mol agar tahu berapa banyak "paket" partikel yang sebenarnya sedang kita reaksikan atau ukur.

Dalam kehidupan sehari-hari kita sering membeli beras dalam satuan kilogram, tetapi saat memasak kita menakarnya dengan cangkir. Jika mol dianalogikan dengan satuan lusin, apa peran utama besaran mol dalam perhitungan kimia?

  • Sebagai satuan massa khusus untuk menggantikan gram pada benda mikroskopis.
  • Sebagai satuan jumlah yang menjembatani massa zat yang ditimbang dengan jumlah dan volume zat tersebut.
  • Sebagai konstanta mutlak volume untuk semua jenis gas pada kondisi lingkungan apa pun.
  • Sebagai alat pengukur suhu dan tekanan ruang otomatis dalam sebuah tabung reaksi.

Jawaban: Sebagai satuan jumlah yang menjembatani massa zat yang ditimbang dengan jumlah dan volume zat tersebut.

Mol bukan satuan massa maupun alat ukur kondisi lingkungan, melainkan satuan jumlah zat standar dalam kimia. Peran utamanya adalah menjembatani besaran makroskopis yang ditimbang (massa) dengan jumlah partikel dan volume gas yang terlibat dalam perhitungan.

Fungsi mol sebagai satuan jumlah yang menghubungkan massa dengan besaran lain.

Dari Massa ke Mol

Jumlah mol gas dihitung dengan membagi massa zat dengan massa molarnya ($M_{\text{r}}$), tanpa mengubah nilai $M_{\text{r}}$ yang sudah ditetapkan.

Skema pembagian massa gas CO2 dengan massa molar Mr untuk mendapatkan jumlah mol.

Hubungan matematis antara massa dan mol dirumuskan secara langsung sebagai:

$$n = \frac{\text{Massa}}{M_{\text{r}}}$$

Pada gas karbon dioksida ($\text{CO}_2$), nilai massa molekul relatif murni sudah diketahui yaitu $M_{\text{r}} = 44\text{ g/mol}$ (dari penjumlahan $A_{\text{r}}\text{ C} = 12$ dan $2 \times A_{\text{r}}\text{ O} = 32$). Angka $M_{\text{r}}$ ini adalah sifat intrinsik molekul dan tidak perlu dikalikan dengan angka apa pun karena senyawa tersebut berdiri sendiri tanpa koefisien reaksi. Dengan massa gas sebesar $4{,}4\text{ g}$, jumlah mol yang tepat adalah:

$$n = \frac{4{,}4\text{ g}}{44\text{ g/mol}} = 0{,}1\text{ mol}$$

Diketahui massa gas oksigen (O2) di dalam sebuah tabung baja adalah 3,2 gram dan Mr O2 adalah 32 g/mol. Berapa jumlah mol gas oksigen di dalam tabung tersebut?

  • 0,05 mol
  • 0,2 mol
  • 0,1 mol
  • 10 mol

Jawaban: 0,1 mol

Jumlah mol dihitung langsung dari rumus n = massa / Mr. Nilai massa adalah 3,2 g dan Mr O2 adalah 32 g/mol, sehingga n = 3,2 / 32 = 0,1 mol. Pengecoh 0,05 mol terjadi jika Mr sengaja dikalikan 2 (3,2 / 64), 0,2 mol jika hanya membagi dengan Ar atom O tunggal (3,2 / 16), dan 10 mol jika membagi terbalik (32 / 3,2).

Cara menghitung mol dari massa dan Mr tanpa mengubah nilai Mr secara sembarangan.

Rahasia Angka 22,4 Liter

Angka $22{,}4\text{ liter}$ adalah jatah volume untuk tepat $1\text{ mol}$ gas pada suhu $0^\circ\text{C}$ dan tekanan $1\text{ atm}$ (STP), yang diturunkan dari persamaan gas ideal.

Kondisi standar atau STP (Standard Temperature and Pressure) disepakati terjadi pada suhu $0^\circ\text{C}$ ($273\text{ K}$) dan tekanan $1\text{ atm}$. Perilaku gas pada kondisi ini memenuhi persamaan gas ideal:

$$P \cdot V = n \cdot R \cdot T$$

Konstanta gas ideal $R$ bernilai $0{,}082\text{ L}\cdot\text{atm}/(\text{mol}\cdot\text{K})$. Jika rumus disusun ulang untuk mencari volume wadah ($V$), kita peroleh:

$$V = \frac{n \cdot R \cdot T}{P}$$

Apabila kita memasukkan jumlah zat tepat $n = 1\text{ mol}$ ke dalam kondisi STP:

$$V = \frac{1\text{ mol} \times 0{,}082\text{ L}\cdot\text{atm}/(\text{mol}\cdot\text{K}) \times 273\text{ K}}{1\text{ atm}} \approx 22{,}386\text{ L} \approx 22{,}4\text{ L}$$

Volume sebesar $22{,}4\text{ L}$ ini dinamakan volume molar standar. Angka ini berlaku khusus untuk setiap $1\text{ mol}$ gas apa pun pada STP.

Tentukan kebenaran dari pernyataan mengenai volume molar gas berikut:

  • Angka 22,4 L berlaku sebagai volume untuk 1 mol gas apa saja, asalkan diukur persis pada suhu 0°C dan tekanan 1 atm. — Benar
  • Jika percobaan dipindahkan ke ruangan hangat bersuhu 25°C, volume 1 mol gas akan tetap 22,4 L. — Salah

Pernyataan 1 Benar karena tetapan volume molar 22,4 L/mol didefinisikan khusus untuk 1 mol gas ideal pada kondisi STP (0°C dan 1 atm). Pernyataan 2 Salah karena menurut hukum gas ideal, kenaikan suhu ke 25°C (298 K) akan menyebabkan gas memuai sehingga volumenya menjadi sekitar 24,4 L (dikenal sebagai kondisi RTP), bukan lagi 22,4 L.

Kondisi spesifik berlakunya ketetapan volume molar 22,4 L.