Stoikiometri Forensik: Dari Persen ke Molekul
Data dari Balik Laboratorium
Persentase massa dan massa molar diperoleh dari instrumen analitik seperti analisis pembakaran dan spektrometer massa. Angka-angka komposisi seperti $40,0\%$ Karbon, $6,7\%$ Hidrogen, dan $53,3\%$ Oksigen pada serbuk putih di tempat kejadian perkara bukanlah perkiraan teoretis, melainkan data empiris dari instrumen kimia forensik.
Gambar: Science History Institute, Public Domain — Wikimedia Commons
Dalam kimia analitik organik, proporsi unsur umumnya ditentukan melalui Analisis Pembakaran. Sampel murni dibakar sempurna menggunakan aliran gas oksigen ($O_2$), mengubah seluruh atom karbon menjadi gas $CO_2$ dan seluruh hidrogen menjadi $H_2O$. Dengan menimbang gas-gas yang diserap oleh perangkap khusus, massa karbon dan hidrogen dapat dihitung secara stoikiometris. Massa oksigen kemudian diperoleh dari selisih massa total sampel terhadap akumulasi massa C dan H.
Sementara itu, massa molar sebesar $180\ \text{g/mol}$ ditentukan secara akurat melalui Spektrometri Massa. Instrumen ini menembakkan elektron berenergi tinggi ke molekul cuplikan hingga terbentuk ion radikal positif ($M^{+\bullet}$). Ion-ion tersebut dipercepat dalam medan listrik dan dibelokkan oleh medan magnet berdasarkan rasio massa terhadap muatan ($m/z$). Puncak ion molekuler ($M^+$) yang terdeteksi memberikan nilai massa molar senyawa.
Hasil analisis suatu senyawa hidrokarbon menunjukkan perbandingan massa karbon dan hidrogen adalah 3 : 1. Jika diketahui Ar C = 12 dan H = 1, rumus empiris senyawa tersebut adalah ....
- CH4
- C3H
- CH3
- C2H6
Jawaban: CH4
Massa C : H = 3 : 1. Mol C = 3 / 12 = 0,25 mol; mol H = 1 / 1 = 1,00 mol. Perbandingan mol C : H = 0,25 : 1,00 = 1 : 4. Dengan demikian, rumus empirisnya adalah CH4. Opsi B salah karena memakai rasio massa langsung sebagai indeks. Opsi C salah karena membalik rasio pembagian. Opsi D adalah tebakan rumus molekul alkana tanpa penurunan rasio mol.
Rumus empiris didapatkan dari perbandingan mol, bukan perbandingan massa.
Menurunkan Rumus Empiris
Rumus empiris diturunkan dengan mengonversi persentase massa menjadi perbandingan mol terkecil antar atom. Kesalahan paling fatal dalam stoikiometri adalah memperlakukan persentase massa langsung sebagai jumlah atom dalam rumus kimia.
Untuk menerjemahkan data komposisi ke dalam perbandingan atom, gunakan basis perhitungan acuan berupa $100\ \text{gram}$ sampel. Dengan basis ini, persentase massa langsung merepresentasikan massa zat dalam gram:
Massa $\text{C} = 40,0\ \text{g}$
Massa $\text{H} = 6,7\ \text{g}$
Massa $\text{O} = 53,3\ \text{g}$
Karena rumus kimia mencerminkan rasio partikel (bukan rasio berat), tiap massa wajib dikonversi menjadi mol menggunakan massa atom relatif masing-masing ($\text{Ar C}=12$, $\text{Ar H}=1$, $\text{Ar O}=16$):
$\text{Mol C} = \frac{40,0\ \text{g}}{12\ \text{g/mol}} = 3,33\ \text{mol}$
$\text{Mol H} = \frac{6,7\ \text{g}}{1\ \text{g/mol}} = 6,70\ \text{mol}$
$\text{Mol O} = \frac{53,3\ \text{g}}{16\ \text{g/mol}} = 3,33\ \text{mol}$
Bagi seluruh nilai mol dengan kuantitas mol terkecil ($3,33$) guna memperoleh perbandingan bilangan bulat terkecil:
$$\text{C} : \text{H} : \text{O} = \frac{3,33}{3,33} : \frac{6,70}{3,33} : \frac{3,33}{3,33} = 1 : 2 : 1$$
Hasil ini mendefinisikan Rumus Empiris senyawa sebagai $\text{CH}_2\text{O}$. Rumus empiris berperan layaknya rasio cetak biru dasar (perbandingan proporsional antar bagian). Langsung memilih Opsi A ($\text{CH}_2\text{O}$) adalah kekeliruan akibat mengabaikan data massa molar spektrometer massa. Demikian pula, Opsi B ($\text{C}_3\text{H}_8\text{O}$) keliru karena perbandingan molnya ($3 : 8 : 1$) menyimpang dari rasio stoikiometri hasil analisis laboratorium.
Suatu senyawa hidrokarbon memiliki rumus empiris CH2 (Mr = 14) dan massa molar 42 g/mol. Tentukan kebenaran dari masing-masing pernyataan berikut!
- Faktor pengali n untuk senyawa tersebut adalah 3. — Benar
- Rumus molekul senyawa tersebut adalah C2H4. — Salah
Pernyataan 1 Benar: n = (Mr senyawa) / (Mr rumus empiris) = 42 / 14 = 3. Pernyataan 2 Salah: Karena n = 3, maka rumus molekulnya adalah (CH2)3 = C3H6, bukan C2H4.
Penentuan faktor pengali n berdasarkan rasio Mr senyawa terhadap Mr rumus empiris.
Transisi ke Rumus Molekul
Rumus molekul adalah kelipatan bilangan bulat dari rumus empiris, ditentukan dengan membandingkan massa molar. Jika rumus empiris diibaratkan sebagai cetak biru dasar bangunan, maka rumus molekul adalah bangunan fisik sesungguhnya, yang massanya merupakan kelipatan bulat ($n$) dari massa cetak biru tersebut.
Dari tahap sebelumnya, rumus empiris yang didapatkan adalah $\text{CH}_2\text{O}$. Massa molar teoretis dari satu unit rumus empiris ini dihitung dengan menjumlahkan massa atom relatifnya:
$$\text{Mr}(\text{CH}_2\text{O}) = (1 \times 12) + (2 \times 1) + (1 \times 16) = 30\ \text{g/mol}$$
Faktor kelipatan $n$ dihitung dari rasio antara massa molar terukur dari spektrometer massa ($\text{Mr Rumus Molekul} = 180\ \text{g/mol}$) terhadap massa molar rumus empirisnya:
$$n = \frac{\text{Mr Rumus Molekul}}{\text{Mr Rumus Empiris}} = \frac{180\ \text{g/mol}}{30\ \text{g/mol}} = 6$$
Dengan faktor pengali $n = 6$, indeks setiap atom pada rumus empiris dikalikan:
$$\text{Rumus Molekul} = (\text{CH}_2\text{O})_6 = \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$$
Hasil ini membuktikan bahwa Opsi D adalah jawaban yang benar.
Meninjau opsi lainnya:
Opsi C ($\text{C}_2\text{H}_4\text{O}_2$) merupakan hasil kelipatan $n = 2$ yang memiliki $\text{Mr} = 60\ \text{g/mol}$, menyimpang dari pembacaan spektrometer massa sebesar $180\ \text{g/mol}$.
Opsi E ($\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}$, sukrosa) merupakan tebakan nama gula lain yang tidak valid, karena memiliki $\text{Mr} = 342\ \text{g/mol}$ serta rasio mol unsur yang berbeda secara fundamental.