2 suatu unsur. Bagaimanakah menentukan massa satu atom suatu unsur dan bagaimanakah
satuannya? Ahli kimia John Dalton pertama kali menyarankan massa satu atom hidrogen sebagai
satu satuan massa atom. Francis Aston, penemu spektrometer massa, menggunakan 116 dari massa satu atom oksigen-16 sebagai satu satuan massa atom. Sehingga sebelum tahun 1961
ahli fisika mendefinisikan satu satuan massa atom sma the physical atomic mass unit amu sebagai 1 16 dari massa satu atom oksigen-16. Namun ahli kimia mendefinisikan satu
satuan massa atom sebagai 1 16 dari massa rata-rata isotop atom oksigen. Jadi sebelum tahun
1961 ahli-ahli fisika dan ahli-ahli kimia menggunakan simbul sma amu sebagai satu satuan
massa atom dengan harga sedikit berbeda. Satuan lama ini kadang-kadang sekarang masih dijumpai dalam literatur ilmiah. Tetapi standar satuan massa atom yang diterima sekarang
adalah satuan massa atom yang diseragamkan the unified atomic mass unit dengan simbul u symbol u, dengan: 1 u = 1,0003179 sma amu skala fisika physical scale dan 1 u = 1,000
043 sma amu skala kimia chemical scale. Kedua satuan massa atom terdahulu harganya
lebih kecil daripada satuan massa atom yang telah diseragamkan the unified atomic mass unit, yang telah diadopsi oleh IUPAP the International Union of Pure and Applied Physics
pada tahun 1960 dan oleh IUPAC the International Union of Pure and Applied Chemistry pada tahun 1961. Sejak tahun 1961, satu satuan massa atom didefinisikan sama dengan
seperduabelas 112 dari massa satu atom karbon-12 yang tidak terikat, dalam keadaan diam at rest, dan dalam tahana dasar ground state. Dengan demikian dapat dipahami bahwa
massa satu atom larbon-12 adalah tepat 12 u. Berdasarkan keterangan di atas, massa satu atom suatu unsur saat ini ditetapkan
dengan membandingkannya terhadap standar tertentu yaitu standar atom karbon-12 dengan massa 12 u tepat. Sehingga istilah yang tepat untuk massa satu atom suatu unsur adalah
massa atom relatif dengan simbul A
r
dengan tanpa satuan. Sesuai dengan standar karbon- 12, maka massa atom relatif suatu unsur adalah massa rata-rata suatu atom unsur
berdasarkan kelimpahan nuklidanya, relatif terhadap massa satu nuklida karbon-12 yang tidak terikat, dalam keadaan diam at rest, dan dalam tahana dasar ground state.
Adakah hubungan antara massa atom dengan satuan u dengan satuan massa yang telah dikenal yaitu gram ? Massa satu atom karbon-12 ditetapkan 12,00 u tepat dan telah
didapatkan bahwa massa satu atom karbon-12 adalah 1,9926786 x 10
− 23
gram. Dengan demikian seperduabelas dari massa satu atom karbon-12 dalam gram ini sama dengan 1u.
3 Jadi, 1 u =
24 23
10 660566
, 1
10 9926786
, 1
12 1
− −
= x
gram x
x gram. Jadi jelaslah bahwa satuan
massa atom ada hubungannya dengan satuan massa yang telah dikenal yaitu gram. Besaran massa dengan demikian mempunyai 2 satuan yaitu u dan gram. Bila membicarakan massa
satu atom, satuan yang sering digunakan adalah u. Sebagai contoh massa satu atom karbon adalah 12,00 u. Pada literatur biokimia dan biologi molecular khususnya buku-buku rujukan
untuk protein satu satuan massa atom yang digunakan adalah
dalton dengan simbul Da
. Oleh karena protein adalah molekul yang besar, maka satuannya dinyatakan sebagai
kilodaltons, atau kDa. Satu kilodalton sama dengan 1000 dalton. Satuan massa yang diseragamkan u, atau
dalton Da
atau kadang-kadang disebut juga sebagai
satuan massa yang universal universal mass unit
, adalah suatu satuan massa yang kecil yang digunakan untuk menyatakan massa atom dan massa molekul.
Berdasarkan harga 1 u tersebut, massa atom relatif Ar suatu unsur didefinisikan sebagai bilangan yang menyatakan angkabanding antara massa rata-rata
satu atom unsur itu dengan
12 1
massa satu atom karbon-12 yang tidak terikat, dalam keadaan diam at rest, dan dalam tahana dasar ground state.
Definisi massa atom relatif itu dapat dituliskan sebagai berikut ini. A
r
= 12
- karbon
atom satu
massa x
12 1
unsur atom
rata -
rata massa
Berdasarkan definisi itu dapat dipahami bahwa bila massa rata-rata atom unsur dapat ditentukan, maka massa rata-rata atom unsur itu merupakan A
r
atom unsur itu. Mengapa massa atom unsur dinyatakan dengan massa rata-rata atom unsur itu?
Di alam ini, tidak ada materi yang ukurannya massa sama. Ada materi yang besar dan ada materi yang kecil. Materi yang sejenis pun ukurannya massa dapat tidak sama.
Sebagai contoh, telur ayam ada yang besar dan ada yang kecil. Bila ada 2 telur ayam yang ukurannya massa tidak sama maka massa kedua telur ayam itu disebut sebagai massa rata-
rata dan yang tentunya dapat ditentukan. Demikian pula bila ada 6 telur ayam massanya masing-masing a gram dan 4 telur ayam massanya masing-masing b gram, maka massa rata-
rata ke 10 telur ayam itu dapat ditentukan. Coba tentukan massa rata-rata ke sepuluh telur ayam itu.
Atom-atom suatu unsur pun massanya tidak sama. Penentuan massa rata-rata atom suatu unsur tidak sesederhana sebagaimana penentuan massa rata-rata telur ayam.
4 Bagaimanakah penentuan massa rata-rata atom suatu unsur yang merupakan massa atom
relatif atom unsur itu?
1. Penentuan massa Atom Relatif dengan Spektometer massa Mass Spectrometer, MS
Massa atom relatif dapat ditentukan dengan menggunakan spektrometer massa. Gambar 1 berikut ini menunjukkan diagram sederhana dari spektrometer massa.
Prinsip kerja spektrometer massa adalah sebagai berikut ini. Suatu sampel unsur tertentu diletakkan di ruang penguapan vaporisasi, di tempat itu sampel diuapkan menjadi
atom-atom gas. Atom-atom gas tersebut kemudian diionisasikan dengan menggunakan pemanas di ruang ionisasi sehingga atom-atom gas menjadi ion-ion positif. Di ruang
akselerasi, ion-ion positif di akselerasi menggunakan medan listrik ke arah plat Y. Medan listrik ini dihasilkan oleh suatu tegangan tinggi di antara plat X dan Y. Ion-ion positif
kemudian dibelokkan oleh medan magnet. Ion-ion dengan massa kecil paling mudah dibelokkan dan akan jatuh pada detector mendekati A. Ion-ion dengan massa lebih besar sulit
dibelokkan dan jatuh pada detector mendekati B. Hubungan jari-jari gerakan melingkar ion- ion positif dengan angkabanding massa ion positif terhadap muatannya
e m
adalah :
E r
H e
m 2
2 2
=
. ……………………………………………….....…. 1.1
Di sini, e
m = angkabanding massa partikel terhadap muatannya, H = kekuatan medan
magnet, dan E = perubahan voltase untuk mempercepat ion. Gambar 1. Diagram spektrometer massa
5 Persamaan 1.1 menandaskan bahwa
e m
ion positif berbanding lurus terhadap jari-jari gerakan. Ion positif dengan harga
e m
berbeda akan menempuh jalan lingkar yang berbeda dan akan jatuh pada detector di tempat yang berbeda. Ion positif dengan
e m
sama, akan melalui jalan yang sama dan akan jatuh pada detektor di tempat yang sama. Partikel
bermuatan yang jatuh pada detektor akan dinetralkan oleh elektron sehingga menimbulkan arus dan dicatat sebagai puncak-puncak pada kertas grafik yang berupa spektra massa dari
unsur. Semakin banyak elektron yang diperlukan untuk menetralkan partikel positif, semakin banyak arus yang timbul sehingga puncak yang dihasilkan akan lebih tinggi. Jadi jumlah arus
yang diperlukan sebanding dengan jumlah muatan positif partikel. Ketinggian puncak- puncak yang tergambar pada spektra massa menunjukkan kelimpahan ion-ion positif yang
ada. Spektra mssa dari unsur dapat dilihat pada Gambar 2. Dalam praktik, detektor ion dijaga dalam posisi tepat. Medan magnet divariasi sehingga ion-ion dengan massa yang berbeda tiba
pada detektor pada waktu yang berbeda. Suatu pompa diperlukan dalam spectrometer massa untuk
mempertahankan kevakuman di bagian
dalam spektrometer
massa karena
setiap molekul udara yang
masih ada di bagian dalam akan menghalangi
gerakan dari
ion-ion. Dalam praktik, komputer
juga akan
mencetak massa tiap atom suatu
unsur dengan
tepat beserta
kelimpahannya masing-masing. Dengan
spektrometer massa
dapat ditentukan bahwa suatu unsur mempunyai
Gambar 2. Spektra massa unsur besi
massa relatif me k
e li
m p
a h
a n
53 54 55
56 57 58 59
6 atom yang massanya berbeda. Atom-
atom unsur yang sama, yang massanya berbeda itu yang dikenal dengan isotop.
Isotop besi yang diproleh dengan spektrometer mass dapat dilihat pada
Tabel 1. Informasi pada Tabel 1 dapat digunakan untuk menghitung massa
atom relatif A
r
dari besi.
A
r
besi =
100 kelimpahan
x Fe
relatif massa
kelimpahan x
Fe relatif
massa kelimpahan
x Fe
relatif massa
kelimpahan x
Fe relatif
massa
58 57
56 54
+ +
+
= 100
33 ,
93 ,
57 19
, 2
94 ,
56 7
, 91
94 ,
55 82
, 5
94 ,
53 x
x x
x
+ +
+
= 55,8 Apakah artinya massa atom relatif besi yang 55,8 terhadap massa satu atom karbon-
12 ?. Massa rata-rata atom besi relatif terhadap karbon-12 adalah 55,8 yang berarti bahwa rata-rata satu atom besi mempunyai massa
00 ,
12 8
, 55
atau 4,65 kali massa satu atom karbon-12.
Penurunan hubungan :
E r
H e
m 2
2 2
= .
Energi kinetik ½mv
2
ion positif yang dihasilkan dalam spektrometer massa ditentukan oleh voltase E yang digunakan untuk mempercepat ion tersebut dan muatan ion
e. ½mv
2
= Ee 1.2
Gerakan ion positif dalam spektrometer massa disimpangkan oleh medan magnet sehingga gerakanya melingkar dengan jari-jari r. Gaya interaksi f antara medan magnit dengan
muatan ion yang bergerak berhubungan langsung dengan kekuatan medan magnit H, besar muatan ion e, dan kecepatan ion v.
f
magnet0
= Hev 1.3
Gaya sentrufigal ion karena cenderung tetap pada gerakan lurusnya berbanding lurus dengan massanya dan kuadrat kecepatannya dan berbanding terbalik terhadap jari-jari
Tabel 1 Massa Relatif Isotop dan Kelimpahan Unsur
Besi
Isotop
Massa Relatif Isotop Persentase
Kelimpahan
54
Fe
53.9396 5.82
56
Fe
55.9349 91.66
57
Fe
56.9354 2.19
58
Fe
57.9333 0.33
7 simpangan r.
F
sentrufugal
= r
mv
2
1.4 Kedua gaya f ini sama karena ion bergerak melalui medan magnet.
Hev = r
mv
2
1.5 Dari persamaan 1.2 dan 1.5 diperoleh masing-masing harga v dan harga v dari kedua
persamaan ini sama.
m Ee
m Her
2 =
Kedua sisi dikuadratkan,
m Ee
m r
e H
2
2 2
2 2
=
Akhirnya diperoleh ; E
r H
e m
2
2 2
=
.
2 Massa Molekul Relatif
Molekul-molekul zat yang dianalisis dengan menggunakan spektrometer massa akan menghasilkan juga ion-ion positif. Ion-ion positif menghasilkan spektrum massa dari ion-ion
positip. Spektrum massa molekul-molekul mengandung 2 tipe garis yaitu suatu garis yang menunjukkan massa molekul keseluruhan. Garis ini memberikan massa relatif yang paling
besar, dan menunjukkan massa molekul relatif molekul yang bersangkutan. Garis-garis yang lain adalah garis yang menunjukkan pecahan-pecahan fragmen dari molekul molekul.
Pecahan-pecahan ini dihasilkan pada saat molekul-molekul pecah di dalam spektrometer massa. Spektrum massa dari etanol ditunjukkan pada Gambar 3. Garis dengan massa paling
besar yaitu 46 adalah menunjukkan molekul keseluruhan. Oleh karena itu massa molekul relatif dari etanol adalah 46. Garis ini memiliki kelimpahan yang sangat kecil karena sebagian
besar molekul telah pecah menjadi fragmen-fragmen di dalam spektrometer massa. Pecahan- pecahan fragmen dari molekul-molekul etanol, dihasilkan ketika molekul-molekul etanol
pecah di ruang ionisasi. Fragmen-fragmen terbentuk ketika satu atau lebih ikatan kovalen pecah dan pemecahannya dapat dilihat pada Tabel 2.
Jika satu dari unsur-unsur pembentuk molekul mempunyai 2 isotop atau lebih, maka garis yang muncul pada spektra massanya lebih dari satu garis. Sebagai contoh adalah
8 spektrum massa dari Bromometana, CH
3
Br yang ditunjukkan oleh
Gambar 4.
Karbon hampir semuanya adalah
12
C dan hidrogen hampir semuanya adalah
1
H. Tetapi bromin terdiri dari
79
Br dan
81
Br yang jumlahnya kira-kira sama.
Oleh karena
itu spektrum
massa bromometana terdiri dari 2 garis yang disebabkan
oleh CH
3
Br
+
dan massa relatifnya dapat dilihat pada
Tabel 3
. Penentuan massa molekul relatif dari suatu
molekul dengan menggunakan spectrometer massa diperuntukkan bagi molekul yang belum
diketahui rumusnya. Apabila molekul telah diketahui rumusnya maka massa molekul relatif
merupakan jumlah massa atom relatif dari atom- atom di dalam rumusnya.
Hal ini
sesuai dengan hukum kekekalan massa dari atom-atom
yaitu atom-atom yang bergabung membentuk molekul, massa atom relatifnya tidak berubah.
Istilah massa molekul relatif hanya tepat untuk
massa relatif me k
e li
m p
a h
a n
CH
3
CH
+
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
molekul keseluruhan
Gambar 3. Spektra massa etanol
Massa relatif me Keli
mpa han
96 94
Gambar 4: Spektrum massa dari
CH
3
Br Tabel 3: Massa relatif Ion CH
3
Br Ion
dalam spektrum
massa Massa
relative
12
C
1
H
3 79
Br
+ 12
C
1
H
3 79
Br
+
94 96
9 senyawa kovalen. Tidak tepat untuk senyawa ion kerena molekulnya terdiri dari ion-ion.
Seperti senyawa NaCl baik padatannya maupun lelehannya terdiri dari ion natrium dan ion klorida, sehingga tidak tepat disebut molekul natrium klorida. Untuk senyawa ion, massa
molekul relatifnya disebut
massa rumus relatif
dengan lambang sama yaitu M
r
. Istilah massa rumus relatif lebih luas pengertianya karena dapat digunakan baik untuk senyawa ion
maupun senyawa kovalen. Dengan demikian massa rumus relatif untuk kalsium klorida,
CaCl
2
adalah 1 A
r
Ca + 2A
r
Cl = 140,1 + 235,5 = 111.1. Untuk molekul etana, C
2
H
6
massa molekul relatifnya adalah 2A
r
C + 6A
r
H = 212 + 61 = 30. Berdasarkan massa molekul relatif suatu molekul atau massa rumus relatif suatu rumus
senyawa, dapat dipahami bahwa perbandingan massa atom-atom penyusun suatu molekul atau perbandingan massa ion-ion penyusun suatu rumus senyawa sesuai dengan perbandingan
massa atom relatifnya dan perbandingan ini tetap ingat hunum perbandingan tetap atau hokum Proust. Dengan demikian perbandingan massa C : H dalam etana adalah 212 : 61
Tabel 2 Hasil fragmen dari molekul Etanol Ikatan yang putus
ditunjukkan dengan tanda panah
Fragmen yang dihasilkan pada
spektrum massa Massa
relatif
45
31
29
28
10 = 24 : 6 = 4 : 1. Persentase tiap atom penyusun suatu enyawa dengan demikian dapat
detentukan mengunakan rumus berikut ini. 100
M relatif
tom a
atommass jumlah
senyawa dalam
ion atau
unsur
r
× =
…..1.6
Dengan demikian karbon dalam etana adalah 80
100 30
24 =
×
C. Konsep Mol.
Atom atau molekul sangat kecil dan tidak dapat dilihat. Mengambil satu atom suatu unsur yang massanya misalnya 12 u atau mengambil satu molekul yang misalnya massanya
30 u ingat bahwa 1u = 1,6605665 x 10
-24
gram sangatlah tidak mungkin dilakukan. Dalam praktek sehari-hari yang biasa dilakukan adalah mengambil unsur atau senyawa dalam
jumlah yang banyak, yang tentu mengandung banyak atom atau banyak molekul, dengan massa tertentu yang satuannya gram. Misalnya mengambil karbon sebanyak 12 gram A
r
C = 12, dan pengambillan ini mudah dilakukan dengan cara menimbang. Jadi mengambil zat
sesuai dengan A
r
atau M
r
zat itu dalam gram sangat mudah dilakukan. Jumlah atom, molekul, atau ion yang terdapat dalam setiap Ar gram atau Mr gram zat
adalah sama. Misalnya oksigen, O
2
, sebanyak 32 gram, mengandung jumlah molekul yang sama dengan metana, CH
4
, sebanyak 16 gram. Hal ini dapat buktikan dengan mengingat bahwa massa 1 molekul O
2
dan CH
4
masing-masing 32 u dan 16 u dan 1u = 1,6605665 x 10
- 24
gram. Hanya molekul O
2
lebih besar-besar dibandingkan dengan molekul CH
4
. Dengan analogi yang lebih akrab, bahwa satu lusin telur ayam akan mempunyai massa lebih besar
daripada satu lusin telur puyuh. Seperti penjual telur, menghitung telur-telur dengan satuan lusin atau dengan satuan jumlah yang lain seperti dozen, dsbnya, ahli kimia menghitung
jumlah atom-atom, molekul-molekul, atau ion-ion dengan satuan jumlah yang disebut
mol mole.
Istilah mol diturunkan dari bahasa latin yang berarti setumpuk. Mol dalam hal ini adalah besaran konsep yang mewakili setumpuk atau sejumlah atom, molekul, ion, atau
partikel-partikel lain. Berdasarkan sistem satuan SI, mol tidak mempunuai satuan, tetapi satuan yang sesuai dengan arti mol itu yaitu jumlah partikel amount of substance.
Sebelum tahun 1959 IUPAP and IUPAC menggunakan oksigen sebagai standar untuk mendefinisikan mol. Kimiawan mendefinisikan mol sebagai jumlah atom oksigen yang
dipunyai oleh 16 gram oksigen, sedangkan fisikawan mendefinisikan mol dengan cara yang sama tetapi hanya mengggunakan nuklida oksigen-16. Kedua organisasi itu pada tahun
19591960 setuju mendefinikan mol sebagai berikut ini.
11
Menurut Sistem Internasional SI, satu mol adalah jumlah zat yang
mengandung partikel-partikel elementer, sebanyak jumlah atom yang terdapat dalam 0,012 kg 12 gram karbon-12.
Definisi ini diadopsi oleh ICPM International Committee for Weights and Measures pada tahun 1967, dan pada tahun 1971 definisi itu diadopsi oleh CGPM General Conference on
Weights and Measures yang ke 14. Pada tahun 1980 the ICPM mengklarifikasi definisi itu
dengan nendefinikan bahwa atom-atom karbon-12 dalam keadaan tidak terikat dan dalam tahana dasarnya ground state. Definisi satu mol dengan demikian menjadi sebagai berikut
ini.
Satu mol adalah jumlah zat yang mengandung partikel-partikel elementer, sebanyak jumlah atom yang terdapat dalam 0,012 kg = 12 gram karbon-12. ,
dimana atom-atom karbon-12 dalam keadan tidak terikat, diam dan dalam tahana dasarnya ground state.
Jumlah partikel atom, molekul, ion yang terdapat dalam 0,012 kg 12 gram karbon-12 dikenal sebagai
tetapan Avogadro the Avogadro constant,
dengan lambang L dan jumlah partikel itu ditentukan secara eksperimen lihat contoh soal no. 7 dan 8. Harga tetapan
Avogadro yang telah diterima adalah sebesar
6,0221417930×10
23
partikel mol
-1
. Berdasarkan definisi tersebut, maka 12 gram C-12 massa atom relatif 12 mengandung 1 mol
atom C-12; 32 gram O
2
massa molekul relatif 32 mengandung 1 mol molekul O
2
. Sebaliknya satu mol atom C-12 massanya 12 gram ; satu mol molekul O
2
massanya 32 gram; dan satu mol NO
2
g massanya adalah 46 gram Mr NO
2
= 46. Hubungan 1 mol zat dengan A
r
atau M
r
zat ini yang sering digunakan untuk mengubah mol menjadi gram aau gram menjadi mol. Sebagai contoh, berapakah massa dari 2 mol gas NO
2
?. Penyelesaiannya dengan memakai hubungan 1 mol gas NO
2
dengan M
r
nya dalam gram. Jadi, 1 mol gas NO
2
= 46 gram 2 mol gas NO
2
= 2 x 46 gram Sebaliknya, berapakah jumlah mol yang terdapat dalam 92 gram NO
2
. Penyelesaiannya tetap menggunakan hubungan 1 mol gas NO
2
dengan M
r
nya dalam gram. 1 mol gas NO
2
= 46 gram 1 gram NO
2
= 46
NO gas
mol 1
2
92 gram NO
2
= mol
46 2