Stoikiometri Redoks: Dari Reaksi ke Produk Gas

Menyetarakan Reaksi Redoks

Reaksi redoks harus disetarakan dari jumlah atom dan jumlah muatannya (elektron) dengan metode setengah reaksi. Persamaan reaksi yang belum setara ibarat daftar bahan mentah resep kue tanpa takaran; kita memerlukan perbandingan koefisien yang pasti agar elektron yang dilepaskan tepat sama dengan elektron yang diterima.

Untuk menyetarakan reaksi $\text{MnO}_4^-(\text{aq}) + \text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4(\text{aq}) \to \text{Mn}^{2+}(\text{aq}) + \text{CO}_2(\text{g})$ dalam suasana asam, kita pecah menjadi dua tahap:

1. Setengah Reaksi Oksidasi ($\text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4 \to \text{CO}_2$):

   • Setarakan atom selain $\text{O}$ dan $\text{H}$ terlebih dahulu: atom karbon ($\text{C}$) disetarakan dengan memberi koefisien $2$ pada $\text{CO}_2$, menjadi $\text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4 \to 2\text{CO}_2$.

   • Atom $\text{O}$ sudah sama ($4$ di kiri dan $4$ di kanan).

   • Setarakan atom $\text{H}$ dengan menambahkan $2\text{H}^+$ di ruas kanan: $\text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4 \to 2\text{CO}_2 + 2\text{H}^+$.

   • Setarakan muatan dengan menambahkan elektron ($e^-$): $\text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4 \to 2\text{CO}_2 + 2\text{H}^+ + 2e^-$ (melepas $2e^-$).

2. Setengah Reaksi Reduksi ($\text{MnO}_4^- \to \text{Mn}^{2+}$):

   • Atom $\text{Mn}$ sudah setara ($1$ di kiri dan $1$ di kanan).

   • Setarakan atom $\text{O}$ dengan menambahkan $4\text{H}_2\text{O}$ di ruas kanan: $\text{MnO}_4^- \to \text{Mn}^{2+} + 4\text{H}_2\text{O}$.

   • Setarakan atom $\text{H}$ dengan menambahkan $8\text{H}^+$ di ruas kiri: $\text{MnO}_4^- + 8\text{H}^+ \to \text{Mn}^{2+} + 4\text{H}_2\text{O}$.

   • Setarakan muatan: sisi kiri bermuatan $+7$ sedangkan sisi kanan $+2$, sehingga tambahkan $5e^-$ di ruas kiri: $\text{MnO}_4^- + 8\text{H}^+ + 5e^- \to \text{Mn}^{2+} + 4\text{H}_2\text{O}$ (menerima $5e^-$).

Diagram di atas memperlihatkan langkah kunci penyetaraan muatan: reaksi oksidasi melepas $2e^-$, sedangkan reduksi menerima $5e^-$. Kelipatan persekutuan terkecil dari $2$ dan $5$ adalah $10$, sehingga reaksi oksidasi dikalikan $5$ dan reaksi reduksi dikalikan $2$:

$$5\text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4 \to 10\text{CO}_2 + 10\text{H}^+ + 10e^-$$

$$2\text{MnO}_4^- + 16\text{H}^+ + 10e^- \to 2\text{Mn}^{2+} + 8\text{H}_2\text{O}$$

Ketika dijumlahkan dan spesi $\text{H}^+$ di kedua ruas 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 koefisien stoikiometri ini, perbandingan mol $\text{MnO}_4^-$ terhadap $\text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4$ adalah $2 : 5$. Fakta ini membuktikan bahwa Pernyataan I MENDUKUNG prinsip stoikiometri reaksi.

Menghitung Kebutuhan Reaktan

Mol zat yang bereaksi dihitung dari perbandingan koefisien reaksi setara dikalikan mol awal zat yang diketahui. Begitu takaran resep reaksi sudah pasti, kita dapat langsung menghitung kuantitas bahan pereaksi yang diperlukan.

Langkah pertama adalah menghitung jumlah mol asam oksalat ($\text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4$) yang tersedia. Karena larutan diketahui memiliki konsentrasi $0{,}25\text{ M}$ dan volume $50\text{ mL}$, kita ubah volume ke satuan Liter ($0{,}050\text{ L}$):

$$\text{Mol } \text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4 = \text{Molaritas} \times \text{Volume (L)}$$

$$\text{Mol } \text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4 = 0{,}25\text{ mol/L} \times 0{,}050\text{ L} = 0{,}0125\text{ mol}$$

Langkah berikutnya adalah mencari mol $\text{MnO}_4^-$ yang diperlukan untuk bereaksi tuntas dengan seluruh asam oksalat tersebut. Kita gunakan perbandingan koefisien stoikiometri dari reaksi setara yang telah kita temukan: koefisien $\text{MnO}_4^-$ adalah $2$ dan koefisien $\text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4$ adalah $5$.

$$\text{Mol } \text{MnO}_4^- = \frac{\text{Koefisien } \text{MnO}_4^-}{\text{Koefisien } \text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4} \times \text{Mol } \text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4$$

$$\text{Mol } \text{MnO}_4^- = \frac{2}{5} \times 0{,}0125\text{ mol} = 0{,}005\text{ mol}$$

Perhitungan ini menunjukkan bahwa dibutuhkan tepat $0{,}005\text{ mol } \text{MnO}_4^-$, sehingga Pernyataan II MENDUKUNG prinsip stoikiometri reaksi.

Menghitung Volume Gas STP

Volume gas pada keadaan STP dicari dengan mengalikan mol gas tersebut dengan $22{,}4\text{ L/mol}$. Dalam stoikiometri reaksi, kita bisa memperkirakan volume produk gas yang dihasilkan dari takaran reaktan mula-mula.

Wadah pada ilustrasi di atas menggambarkan konsep Volume Molar STP: pada kondisi standar (suhu $0^\circ\text{C}$ dan tekanan $1\text{ atm}$), $1\text{ mol}$ gas ideal apa pun menempati ruang bervolume tetap sebesar $22{,}4\text{ Liter}$.

Untuk menghitung volume gas $\text{CO}_2$ yang dihasilkan:

1. Cari mol gas $\text{CO}_2$ terlebih dahulu: Gunakan rasio koefisien antara $\text{CO}_2$ dan $\text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4$. Koefisien $\text{CO}_2$ adalah $10$ dan koefisien $\text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4$ adalah $5$, menghasilkan perbandingan $10 : 5$ atau $2 : 1$.

   $$\text{Mol } \text{CO}_2 = \frac{10}{5} \times \text{mol } \text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4 = 2 \times 0{,}0125\text{ mol} = 0{,}025\text{ mol}$$

2. Konversikan mol ke volume gas STP:

   $$\text{Volume } \text{CO}_2 = \text{mol } \text{CO}_2 \times 22{,}4\text{ L/mol}$$

   $$\text{Volume } \text{CO}_2 = 0{,}025\text{ mol} \times 22{,}4\text{ L/mol} = 0{,}56\text{ L}$$

Nilai sebenarnya adalah $0{,}56\text{ L}$. Angka $0{,}28\text{ L}$ pada soal merupakan jebakan yang muncul jika seseorang lupa menyetarakan atom karbon sehingga menganggap mol $\text{CO}_2$ sama persis dengan mol $\text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4$ ($1 : 1$, yaitu $0{,}0125\text{ mol} \times 22{,}4 = 0{,}28\text{ L}$). Karena volume terhitung adalah $0{,}56\text{ L}$, maka Pernyataan III TIDAK MENDUKUNG prinsip stoikiometri reaksi.