Penentuan massa Atom Relatif dengan Spektometer massa

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. 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. Gambar 1. Diagram spektrometer massa PENDALAMAN MATERI KIMIA 377 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. 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 Gambar 2. Spektra massa unsur besi massa relatif me kel im p ah an 53 54 55 56 57 58 59 378 PENDALAMAN MATERI KIMIA 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 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. 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 PENDALAMAN MATERI KIMIA 379 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 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 380 PENDALAMAN MATERI KIMIA 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 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 relatif me kel im p ah an CH 3 CH 2 + CH 3 CH + 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 CH 3 OH + CH 3 CH 2 O + CH 3 CH 2 + OH - 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 PENDALAMAN MATERI KIMIA 381 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 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 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 28 382 PENDALAMAN MATERI KIMIA dalam etana adalah 212 : 61 = 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. 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 PENDALAMAN MATERI KIMIA 383 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 Pengubahan massa gram zat menjadi jumlah molnya dengan demikian dilakukan dengan membagi massa gram zat dengan A r atau M r . Namun definisi mol bukan massa dibagi A r atau M r . Massa satu mol zat yang sesuai dengan massa atom relatif , atau massa molekul relatif, atau massa rumus relatif zat itu dalam gram disebut massa molar molar mass. Massa molar O 2 = 32 gram mol -1 , massa molar NO 2 = 46 gram mol -1 . Besaran mol sangat penting dalam ilmu kimia. Pentingnya mol ini akan dapat diketahui pada pembahasan stiokiometri. Kerena pentingnya mol itu maka di beberpa Sekolah Menengah Atas SMA di Amerika Serikat khususnya Amerika Utara dan di Canada, mol dirayakan mol sebagai hari mol Mole Day. Hari mol ini merupakan perayaan tidak resmi yang diperingati sehari penuh pada tanggal 23 Oktober antara jam 6:02 pagi dan 6:02 sore. Waktu dan tanggal perayaannya diturunkan dari tetapan Avogadro the Avogadro constant, yaitu 6.022×10 23 . Hari mol dimulai dari artikel yang dimuat dalam The Science Teacher pada awal tahun 1980. Terinspirasi oleh artikel tesebut, 384 PENDALAMAN MATERI KIMIA Maurice Oehler, pensiunan guru kimia dari Prairie du Chien, Wisconsin, mendirikan yayasan, the National Mole Day Foundation NMDF pada 15 Mei 1991. Hari mol dirayakan dengan berbagai aktivitas yang berhubungan dengan Ilmu Kimia atau mol. D. Stoikiometri

1. Stoikiometri dengan faktor konversi.