Stoikiometri Redoks: Menyetarakan dan Menghitung
Membangun Setengah Reaksi
Metode setengah reaksi fokus pada penambahan molekul air dan ion hidrogen secara bertahap untuk menyeimbangkan atom sebelum menyetarakan muatan dengan elektron. Bayangkan reaksi redoks seperti pabrik perakitan mobil yang dibagi menjadi dua divisi: satu divisi khusus melepas baut (oksidasi asam oksalat menjadi $\text{CO}_2$) dan satu divisi khusus menerima baut (reduksi ion permanganat $\text{MnO}_4^-$ menjadi $\text{Mn}^{2+}$). Kita tidak bisa langsung menggabungkannya sebelum jalur perakitan di tiap divisi tertata rapi.
Untuk menyetarakan reaksi dalam suasana asam, terdapat urutan logis yang tidak boleh tertukar:
Setarakan atom utama selain oksigen dan hidrogen (pada $\text{MnO}_4^- \to \text{Mn}^{2+}$, atom $\text{Mn}$ sudah sama-sama berjumlah 1).
Bayar utang oksigen dengan menambahkan molekul air ($\text{H}_2\text{O}$) di ruas yang kekurangan atom $\text{O}$.
Seimbangkan hidrogen dengan menambahkan ion $\text{H}^+$ di ruas yang berlawanan.
Seimbangkan muatan listrik dengan menambahkan elektron ($e^-$) pada sisi yang muatannya lebih positif.
Simulasi di atas menunjukkan bagaimana ion permanganat disetarakan langkah demi langkah:
Awalnya, sisi reaktan memiliki 4 atom oksigen berlebih dibandingkan produk. Kita menambahkan $4\text{H}_2\text{O}$ di sisi kanan untuk menyetarakan oksigen.
Masuknya $4\text{H}_2\text{O}$ membawa serta 8 atom hidrogen baru di kanan. Akibatnya, kita wajib menambahkan $8\text{H}^+$ di sisi kiri.
Terakhir, hitung muatannya: sisi kiri bernilai $(-1) + (+8) = +7$, sedangkan sisi kanan bernilai $+2$. Agar muatannya seimbang di angka $+2$, sisi kiri harus ditambah $5e^-$.
Menyamakan Aliran Elektron
Jumlah elektron yang dilepas pada reaksi oksidasi harus disamakan dengan jumlah elektron yang diterima pada reaksi reduksi sebelum reaksi digabungkan. Elektron berfungsi sebagai baut perakit yang berpindah antardivisi pabrik: divisi oksidasi asam oksalat ($\text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4$) melepas 2 elektron per molekul, sedangkan divisi reduksi permanganat ($\text{MnO}_4^-$) memerlukan 5 elektron per ion.
Karena elektron bebas tidak boleh tersisa atau hilang di larutan, kita mencari kelipatan persekutuan terkecil (KPK) dari 2 dan 5, yaitu 10. Artinya, reaksi oksidasi harus dikalikan 5, sedangkan reaksi reduksi harus dikalikan 2.
Diagram di atas memperlihatkan pertukaran elektron yang terjadi secara seimbang:
$5\text{ molekul } \text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4 \to 10\text{CO}_2 + 10\text{H}^+ + 10e^-$
$2\text{ ion } \text{MnO}_4^- + 16\text{H}^+ + 10e^- \to 2\text{Mn}^{2+} + 8\text{H}_2\text{O}$
Ketika kedua persamaan dijumlahkan dan spesi sejenis disederhanakan, kita memperoleh persamaan reaksi setara:
$$2\text{MnO}_4^- + 5\text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4 + 6\text{H}^+ \to 2\text{Mn}^{2+} + 10\text{CO}_2 + 8\text{H}_2\text{O}$$
Dari persamaan ini, terlihat bahwa perbandingan koefisien reaksi antara $\text{MnO}_4^-$ dan $\text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4$ adalah $2:5$. Hal ini membuktikan bahwa Opsi A benar dan mendukung prinsip stoikiometri.
Suatu reaksi redoks memiliki setengah reaksi oksidasi yang melepas 3 elektron dan setengah reaksi reduksi yang menerima 2 elektron. Berapa faktor pengali yang tepat untuk menyetarakan elektron sebelum kedua persamaan digabungkan?
- Oksidasi dikali 3, reduksi dikali 2
- Oksidasi dikali 2, reduksi dikali 3
- Oksidasi dikali 1, reduksi dikali 1,5
- Keduanya tidak perlu dikali, langsung dijumlahkan
Jawaban: Oksidasi dikali 2, reduksi dikali 3
Kelipatan persekutuan terkecil (KPK) dari 3 dan 2 elektron adalah 6 elektron. Maka, reaksi oksidasi yang melepas 3 elektron harus dikali 2, sedangkan reaksi reduksi yang menerima 2 elektron harus dikali 3 agar aliran elektronnya setara. Pilihan yang membalik faktor pengali atau memakai pecahan tidak tepat untuk koefisien bilangan bulat terkecil.
Menentukan faktor pengali untuk menyamakan elektron pada dua setengah reaksi.
Koefisien Sebagai Resep Reaksi
Koefisien reaksi adalah rasio pasti yang menentukan perbandingan mol reaktan yang dihabiskan dalam suatu reaksi. Jika koefisien reaksi adalah instruksi perakitan mobil, maka data kuantitas bahan yang kita miliki adalah modal belanja di gudang. Kita tidak bisa menebak kebutuhan bahan lain tanpa mengalikan modal awal dengan rasio koefisien tersebut.
Dari data soal, analis menyiapkan larutan asam oksalat dengan volume $50\text{ mL}$ ($0{,}050\text{ L}$) dan konsentrasi $0{,}25\text{ M}$. Kita cari terlebih dahulu mol awal bahan yang diketahui:
$$\text{Mol } \text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4 = \text{Molaritas} \times \text{Volume} = 0{,}25\text{ mol/L} \times 0{,}050\text{ L} = 0{,}0125\text{ mol}$$
Untuk mengetahui jumlah ion $\text{MnO}_4^-$ yang dibutuhkan agar bereaksi tuntas, kita gunakan prinsip jembatan stoikiometri:
Alur perhitungan di atas mengikuti formula dasar perbandingan koefisien:
$$\text{Mol Ditanya} = \left(\frac{\text{Koefisien Ditanya}}{\text{Koefisien Diketahui}}\right) \times \text{Mol Diketahui}$$
Substitusikan angka koefisien dari reaksi setara ($2\text{MnO}_4^-$ berbanding $5\text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4$):
$$\text{Mol } \text{MnO}_4^- = \frac{2}{5} \times 0{,}0125\text{ mol} = 0{,}005\text{ mol}$$
Hasil perhitungan ini tepat $0{,}005\text{ mol}$, sehingga Opsi B terbukti benar dan mendukung prinsip stoikiometri.