Konsep Mol dan Stoikiometri: Ar, Mr, Bilangan Avogadro, Volume Molar, Pereaksi Pembatas, dan Contoh Soal

Atom itu terlalu kecil untuk dihitung satu per satu. Satu sendok teh garam saja berisi miliaran miliar partikel. Karena itu kimiawan memakai satuan "lusin versi kimia" yang disebut mol. Dengan mol, kita bisa mengubah massa yang ditimbang di laboratorium menjadi jumlah partikel, volume gas, dan sebaliknya.

Stoikiometri adalah bagian kimia yang menghitung hubungan kuantitatif zat-zat dalam reaksi: berapa gram bahan yang dibutuhkan, berapa liter gas yang dihasilkan, dan zat mana yang habis duluan. Semua perhitungan itu berputar di sekitar satu konsep, yaitu mol. Kalau konsep mol sudah lancar, sebagian besar soal hitungan kimia SMA tinggal soal teliti.

Setelah membaca catatan ini, kamu bisa:

• Menghitung massa molekul relatif (Mr) dari massa atom relatif (Ar).
• Mengubah mol ke massa, jumlah partikel, dan volume gas (STP, RTP, atau PV = nRT).
• Menyetarakan persamaan reaksi dan memakai perbandingan koefisien untuk menghitung zat lain.
• Menentukan pereaksi pembatas, kadar unsur, rumus empiris, rumus molekul, dan air kristal.

Massa Atom Relatif (Ar) dan Massa Molekul Relatif (Mr)

Massa satu atom sangat kecil (sekitar 10⁻²³ gram), jadi kurang praktis dipakai. Sebagai gantinya, massa atom dibandingkan dengan patokan, yaitu 1/12 massa satu atom C-12. Hasil perbandingannya disebut massa atom relatif (Ar), dan karena berupa perbandingan, Ar tidak bersatuan.

Untuk senyawa, kita memakai massa molekul relatif (Mr), yaitu jumlah Ar semua atom penyusunnya. Untuk senyawa ion seperti NaCl yang tidak berbentuk molekul, istilah yang lebih tepat adalah massa rumus relatif, tetapi cara hitung dan simbolnya sama.

Mr = Σ (jumlah atom × Ar)

Nilai Ar yang dipakai di catatan ini (dibulatkan, lazim di soal sekolah dan UTBK):

Unsur	H	C	N	O	Na	Mg	Al	S	Cl	Ca	Fe
Ar	1	12	14	16	23	24	27	32	35,5	40	56

Hitung Mr dari asam sulfat (H₂SO₄), batu kapur (CaCO₃), dan pupuk urea (CO(NH₂)₂). Gunakan Ar H = 1, C = 12, N = 14, O = 16, S = 32, Ca = 40.

Lihat pembahasan

H₂SO₄: 2(1) + 32 + 4(16) = 2 + 32 + 64 = 98.

CaCO₃: 40 + 12 + 3(16) = 100.

CO(NH₂)₂: indeks 2 di luar kurung mengalikan semua isi kurung, jadi ada 1 C, 1 O, 2 N, dan 4 H. Mr = 12 + 16 + 2(14) + 4(1) = 60.

Mol dan Bilangan Avogadro

Satu mol adalah jumlah zat yang mengandung partikel sebanyak 6,02 × 10²³. Angka ini disebut bilangan Avogadro (L atau N_A). Partikelnya bisa berupa atom (untuk unsur logam dan gas mulia), molekul (H₂O, CO₂, O₂), atau ion (Na⁺, Cl⁻).

Kenapa angkanya aneh begitu? Karena dipilih supaya massa 1 mol zat dalam gram sama dengan Ar atau Mr-nya. Jadi 1 mol karbon bermassa 12 gram, 1 mol air bermassa 18 gram. Inilah yang membuat mol jadi jembatan antara dunia partikel yang tak terlihat dan timbangan di laboratorium.

n = jumlah partikel6,02 × 10²³     n = massa (g)Ar atau Mr

Massa 1 mol zat (dalam g/mol) disebut massa molar. Nilainya sama dengan Ar atau Mr, hanya diberi satuan.

Volume Molar Gas: STP, RTP, dan PV = nRT

Untuk gas, menimbang itu repot, yang lebih mudah diukur adalah volumenya. Menurut hukum Avogadro, pada suhu dan tekanan yang sama, gas apa pun dengan jumlah mol sama punya volume sama. Volume 1 mol gas disebut volume molar (V_m), dan nilainya bergantung pada kondisi:

• STP (standard temperature and pressure, 0 °C dan 1 atm): V_m = 22,4 L/mol.
• RTP (room temperature and pressure, 25 °C dan 1 atm): V_m = 24 L/mol (lebih tepatnya 24,4 L/mol, tetapi soal biasanya memakai 24).
• Kondisi lain: pakai persamaan gas ideal PV = nRT, dengan P dalam atm, V dalam liter, T dalam kelvin (°C + 273), dan R = 0,082 L·atm/(mol·K).

n = V22,4 (STP)     n = V24 (RTP)     PV = nRT (umum)

Volume molar hanya berlaku untuk gas. Air cair 1 mol volumenya cuma sekitar 18 mL, bukan 22,4 L. Jangan pakai 22,4 untuk zat padat atau cair.

Jembatan mol: semua jalan lewat mol

Kalau digambar, mol berada di tengah, dikelilingi massa, jumlah partikel, dan volume gas. Ke arah mol kita membagi, keluar dari mol kita mengalikan. Mau mengubah massa ke volume? Jangan loncat langsung, lewat mol dulu.

Sebanyak 11 gram gas CO₂ (Ar C = 12, O = 16) disimpan dalam tabung. Tentukan jumlah mol, jumlah molekul, jumlah total atom, dan volumenya pada keadaan STP.

Lihat pembahasan

Mr CO₂ = 12 + 2(16) = 44.

Mol: n = 11 / 44 = 0,25 mol.

Jumlah molekul: 0,25 × 6,02 × 10²³ = 1,505 × 10²³ molekul.

Jumlah atom: tiap molekul CO₂ punya 3 atom, jadi 3 × 1,505 × 10²³ = 4,515 × 10²³ atom.

Volume STP: 0,25 × 22,4 = 5,6 L.

(a) Pada keadaan STP, 4,48 L suatu gas X bermassa 8,8 gram. Berapa Mr gas X? (b) Berapa volume 0,5 mol gas oksigen pada suhu 27 °C dan tekanan 1 atm? (R = 0,082 L·atm/(mol·K))

Lihat pembahasan

(a) n = 4,48 / 22,4 = 0,2 mol. Mr = massa / n = 8,8 / 0,2 = 44. (Bisa jadi CO₂, N₂O, atau C₃H₈, karena ketiganya ber-Mr 44.)

(b) T = 27 + 273 = 300 K. V = nRT / P = 0,5 × 0,082 × 300 / 1 = 12,3 L.

Menyetarakan Persamaan Reaksi

Menurut hukum kekekalan massa (Lavoisier), atom tidak hilang atau muncul begitu saja dalam reaksi. Jadi jumlah tiap jenis atom di ruas kiri harus sama dengan di ruas kanan. Yang boleh diubah hanya koefisien (angka di depan rumus), bukan indeks di dalam rumus. Mengubah H₂O jadi H₂O₂ berarti mengganti air dengan hidrogen peroksida, zat yang sama sekali berbeda.

Langkah praktis untuk reaksi sederhana:

1. Beri koefisien 1 pada senyawa yang paling rumit.
2. Setarakan atom selain H dan O dulu (logam, C, N, S, Cl).
3. Setarakan H, lalu O paling akhir (biasanya O₂ yang berdiri sendiri paling mudah diatur).
4. Kalau muncul pecahan, kalikan semua koefisien dengan penyebutnya.

Contoh pembakaran etana: C₂H₆ + O₂ → CO₂ + H₂O. Mulai dari C₂H₆ = 1: C ada 2 → 2CO₂; H ada 6 → 3H₂O. O di kanan = 4 + 3 = 7, jadi O₂ perlu 7/2. Kalikan semua dengan 2: 2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O. Cek: C 4 = 4, H 12 = 12, O 14 = 8 + 6.

Di tanur tinggi, bijih besi direduksi oleh gas karbon monoksida: Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂. Setarakan reaksi tersebut.

Lihat pembahasan

Beri Fe₂O₃ koefisien 1. Fe di kiri ada 2, jadi Fe di kanan diberi koefisien 2.

Atur C dan O dengan memisalkan koefisien CO = CO₂ = x (C otomatis setara). O kiri = 3 + x, O kanan = 2x. Maka 3 + x = 2x → x = 3.

Hasil: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Cek: Fe 2 = 2, C 3 = 3, O 3 + 3 = 6 dan 3 × 2 = 6. Setara.

Perbandingan Koefisien = Perbandingan Mol

Setelah reaksi setara, koefisien bukan sekadar hiasan. Perbandingan koefisien sama dengan perbandingan mol zat-zat yang bereaksi dan terbentuk. Untuk gas pada suhu dan tekanan sama, perbandingan koefisien juga sama dengan perbandingan volume (hukum Gay-Lussac).

n_dicari = koefisien dicarikoefisien diketahui × n_diketahui

Pola soal stoikiometri hampir selalu tiga langkah: (1) ubah data yang diketahui ke mol, (2) pakai perbandingan koefisien untuk mendapat mol zat yang ditanya, (3) ubah mol itu ke satuan yang diminta.

Sebanyak 5,4 gram aluminium dimasukkan ke larutan HCl berlebih menurut reaksi Al + HCl → AlCl₃ + H₂ (belum setara). Berapa liter gas H₂ yang terbentuk pada STP, dan berapa gram HCl yang bereaksi? (Ar Al = 27, H = 1, Cl = 35,5)

Lihat pembahasan

Setarakan dulu: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂ (Al 2 = 2, H 6 = 6, Cl 6 = 6).

n Al = 5,4 / 27 = 0,2 mol.

n H₂ = (3/2) × 0,2 = 0,3 mol → V = 0,3 × 22,4 = 6,72 L.

n HCl = (6/2) × 0,2 = 0,6 mol; Mr HCl = 36,5 → massa = 0,6 × 36,5 = 21,9 g.

Pereaksi Pembatas

Di dunia nyata, bahan jarang dicampur dengan perbandingan pas. Bayangkan membuat roti isi: 1 roti butuh 2 lembar tawar dan 1 keju. Kalau kamu punya 10 lembar tawar dan 3 keju, kamu cuma bisa membuat 3 roti isi, karena kejunya habis duluan. Keju adalah pereaksi pembatas, sedangkan roti tawar bersisa.

Cara menentukannya: hitung mol ÷ koefisien untuk setiap pereaksi. Pereaksi dengan hasil bagi terkecil adalah pembatas. Semua zat hasil dihitung dari pereaksi pembatas, bukan dari yang bersisa.

Sebanyak 14 gram gas N₂ direaksikan dengan 4 gram gas H₂ membentuk amonia: N₂ + 3H₂ → 2NH₃. Tentukan pereaksi pembatas, massa NH₃ yang terbentuk, dan massa pereaksi yang bersisa. (Ar N = 14, H = 1)

Lihat pembahasan

n N₂ = 14 / 28 = 0,5 mol; n H₂ = 4 / 2 = 2 mol.

Bagi dengan koefisien: N₂ → 0,5 / 1 = 0,5; H₂ → 2 / 3 ≈ 0,67. Yang terkecil N₂, jadi N₂ pereaksi pembatas.

	N2	3H2	2NH3
Mula-mula	0,5	2	0
Bereaksi	−0,5	−1,5	+1
Sisa	0	0,5	1

Massa NH₃ = 1 × 17 = 17 g. H₂ bersisa 0,5 mol = 0,5 × 2 = 1 g. Cek kekekalan massa: 14 + 4 = 18 g = 17 g + 1 g.

Kadar Unsur dalam Senyawa

Kadar (persen massa) unsur menunjukkan berapa bagian dari massa senyawa yang disumbang unsur tersebut. Ini sering dipakai untuk membandingkan pupuk atau bijih logam.

% unsur = jumlah atom × Ar unsurMr senyawa × 100%     massa unsur = jumlah atom × ArMr × massa senyawa

Berapa persen kadar nitrogen dalam urea, CO(NH₂)₂, dan berapa gram nitrogen yang terkandung dalam 30 gram urea murni? (Mr urea = 60, Ar N = 14)

Lihat pembahasan

Satu molekul urea punya 2 atom N. % N = (2 × 14) / 60 × 100% = 28/60 × 100% ≈ 46,67%.

Massa N dalam 30 g urea = (28/60) × 30 = 14 g.

Kadar N yang tinggi inilah yang membuat urea jadi pupuk nitrogen favorit petani.

Rumus Empiris dan Rumus Molekul

Rumus empiris menyatakan perbandingan mol atom paling sederhana dalam senyawa. Rumus molekul menyatakan jumlah atom sebenarnya dalam satu molekul. Misalnya glukosa punya rumus molekul C₆H₁₂O₆, sedangkan rumus empirisnya CH₂O.

Langkah mencari rumus empiris dari data persen atau massa:

1. Anggap sampel 100 gram, sehingga persen langsung jadi gram.
2. Ubah massa tiap unsur ke mol (bagi Ar).
3. Bagi semua mol dengan mol terkecil, lalu bulatkan ke bilangan bulat sederhana (kalau hasilnya x,5 kalikan 2; kalau x,33 kalikan 3).

Untuk rumus molekul, gunakan Mr: (rumus empiris)_n, dengan n = Mr senyawa ÷ Mr rumus empiris.

Suatu senyawa karbohidrat mengandung 40% C, 6,67% H, dan sisanya O. Jika Mr senyawa tersebut 180, tentukan rumus empiris dan rumus molekulnya. (Ar C = 12, H = 1, O = 16)

Lihat pembahasan

% O = 100 − 40 − 6,67 = 53,33%. Dalam 100 g sampel:

• n C = 40 / 12 ≈ 3,33 mol
• n H = 6,67 / 1 = 6,67 mol
• n O = 53,33 / 16 ≈ 3,33 mol

Bagi dengan 3,33: C : H : O = 1 : 2 : 1. Rumus empiris CH₂O (Mr = 30).

n = 180 / 30 = 6, jadi rumus molekul (CH₂O)₆ = C₆H₁₂O₆ (glukosa).

Bonus: Menentukan Jumlah Air Kristal

Beberapa garam mengikat molekul air di dalam kristalnya, ditulis dengan titik, misalnya MgSO₄·xH₂O. Saat dipanaskan, air kristal ini lepas dan tersisa garam anhidrat (tanpa air). Nilai x dicari dari perbandingan mol garam anhidrat dan mol air yang lepas.

Sebanyak 24,6 gram garam Inggris MgSO₄·xH₂O dipanaskan sampai semua airnya menguap, dan tersisa 12 gram MgSO₄ anhidrat. Tentukan nilai x. (Ar Mg = 24, S = 32, O = 16, H = 1)

Lihat pembahasan

Massa air yang lepas = 24,6 − 12 = 12,6 g.

n MgSO₄ = 12 / 120 = 0,1 mol; n H₂O = 12,6 / 18 = 0,7 mol.

x = 0,7 / 0,1 = 7, jadi rumusnya MgSO₄·7H₂O. Cek: Mr = 120 + 7(18) = 246, dan 0,1 mol × 246 = 24,6 g. Cocok.

Kesalahan Umum dalam Soal Stoikiometri

1. Lupa menyetarakan reaksi. Perbandingan koefisien hanya berlaku untuk reaksi yang sudah setara. Setarakan dulu, baru hitung.
2. Memakai 22,4 L untuk zat bukan gas atau untuk gas yang tidak berada pada STP. Perhatikan kondisi di soal: STP, RTP, atau suhu-tekanan tertentu (pakai PV = nRT).
3. Membandingkan massa langsung dengan koefisien. Koefisien adalah perbandingan mol, bukan perbandingan gram. Selalu ubah ke mol dulu.
4. Menentukan pereaksi pembatas dari mol terkecil tanpa membagi koefisien. Misalnya pada 2H₂ + O₂ → 2H₂O dengan 1 mol H₂ dan 0,6 mol O₂: mol O₂ lebih kecil, tetapi pembatasnya justru H₂ (1/2 = 0,5 < 0,6/1 = 0,6).
5. Salah menghitung atom dalam kurung. Pada Ca(OH)₂, ada 2 O dan 2 H, bukan 1 O dan 2 H.

Latihan Soal Konsep Mol dan Stoikiometri

Kerjakan dulu di kertas sebelum membuka kunci. Gunakan Ar H = 1, C = 12, O = 16, Mg = 24, Ca = 40, Fe = 56, Cl = 35,5, dan L = 6,02 × 10²³.

1. Hitung Mr kalsium hidroksida, Ca(OH)₂.
   Kunci jawaban

   40 + 2(16 + 1) = 74.

2. Sebatang paku besi mengandung 3,01 × 10²² atom Fe. Berapa massanya?
   Kunci jawaban

   n = 3,01 × 10²² / 6,02 × 10²³ = 0,05 mol; massa = 0,05 × 56 = 2,8 g.

3. Berapa volume 8 gram gas O₂ pada keadaan STP dan pada keadaan RTP?
   Kunci jawaban

   n = 8 / 32 = 0,25 mol. STP: 0,25 × 22,4 = 5,6 L; RTP: 0,25 × 24 = 6 L.

4. Sebanyak 4,4 gram gas propana dibakar sempurna: C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O. Berapa gram O₂ yang diperlukan dan berapa liter CO₂ (STP) yang dihasilkan?
   Kunci jawaban

   n C₃H₈ = 4,4 / 44 = 0,1 mol. O₂ = 5 × 0,1 = 0,5 mol = 16 g. CO₂ = 3 × 0,1 = 0,3 mol = 6,72 L.

5. Sebanyak 4,8 gram pita magnesium dimasukkan ke larutan yang mengandung 0,3 mol HCl: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂. Tentukan pereaksi pembatas, volume H₂ (STP), dan massa pereaksi yang bersisa.
   Kunci jawaban

   n Mg = 0,2 mol → 0,2/1 = 0,2; HCl → 0,3/2 = 0,15. HCl pembatas. H₂ = 0,15 mol = 3,36 L. Mg bereaksi 0,15 mol, sisa 0,05 mol = 1,2 g.

Ringkasan Rumus Konsep Mol

Dari / ke mol	Rumus	Catatan
Massa	n = massa / Mr (atau Ar)	Massa dalam gram
Jumlah partikel	n = partikel / 6,02 × 1023	Atom, molekul, atau ion
Volume gas STP	n = V / 22,4	0 °C, 1 atm
Volume gas RTP	n = V / 24	25 °C, 1 atm
Gas kondisi lain	PV = nRT	R = 0,082; T dalam kelvin
Zat lain dalam reaksi	nB = (koef B / koef A) × nA	Reaksi harus setara

Pertanyaan yang Sering Ditanyakan

Apa bedanya Ar, Mr, dan massa molar?

Ar adalah massa relatif satu atom terhadap 1/12 massa atom C-12, Mr adalah jumlah Ar semua atom dalam satu molekul atau satuan rumus. Keduanya tidak bersatuan. Massa molar adalah massa 1 mol zat; angkanya sama dengan Ar atau Mr, tetapi bersatuan g/mol.

Kapan memakai 22,4 L, 24 L, atau PV = nRT?

Pakai 22,4 L/mol jika soal menyebut STP (0 °C, 1 atm), 24 L/mol untuk RTP (25 °C, 1 atm), dan PV = nRT untuk suhu atau tekanan lain. Jika soal membandingkan dua gas pada suhu dan tekanan yang sama, cukup pakai perbandingan volume = perbandingan mol.

Mengapa pereaksi pembatas ditentukan dari mol dibagi koefisien?

Karena koefisien menunjukkan berapa mol zat yang dibutuhkan dalam satu "paket" reaksi. Mol dibagi koefisien berarti jumlah paket yang bisa dibuat dari zat itu. Zat yang hanya cukup untuk paket paling sedikit akan habis duluan, sehingga ia yang membatasi jumlah produk.

Apakah rumus empiris selalu berbeda dari rumus molekul?

Tidak. Pada banyak senyawa keduanya sama, misalnya H₂O, CO₂, dan NH₃, karena perbandingan atomnya sudah paling sederhana (n = 1). Rumus keduanya berbeda pada senyawa seperti glukosa (C₆H₁₂O₆ dengan rumus empiris CH₂O) atau benzena (C₆H₆ dengan rumus empiris CH).

Materi apa yang berkaitan dengan konsep mol?

Supaya bisa menulis rumus senyawa dengan benar sebelum menghitung Mr, pahami dulu ikatan kimia. Setelah konsep mol, kamu akan memakainya lagi di larutan (molaritas), termokimia, laju reaksi, dan kesetimbangan. Lihat juga semua catatan Kimia lainnya.