Rumus kimia, tata nama, dan persamaan reaksi: rumus molekul dan empiris, nama senyawa, dan penyetaraan

Seorang teknisi baru menerima tiga jeriken tanpa label lengkap di gudang bahan kimia sebuah hotel. Pada satu jeriken tertulis "soda", pada yang lain "NaOCl 12%", dan pada yang ketiga "asam HCl". Penyelianya bertanya apakah jeriken "soda" boleh dipakai untuk menetralkan sisa asam pembersih kerak. Teknisi itu ragu: soda yang mana? Soda kaustik, soda abu, dan soda kue adalah tiga zat yang berbeda, dengan bahaya yang sangat berbeda.

Kebingungan semacam ini bukan masalah hafalan, tetapi masalah bahasa. Kimia punya bahasa sendiri: lambang unsur, rumus, nama sistematis, dan persamaan reaksi. Orang yang dapat membaca bahasa itu dapat mengetahui isi jeriken dari rumusnya, memperkirakan apa yang terjadi bila dua bahan bercampur, dan menghitung berapa banyak bahan yang diperlukan. Bab ini mengajarkan bahasa itu.

Batas pembahasan

Bab ini membahas lambang dan rumus kimia, rumus molekul, empiris, dan struktur, ion yang umum, tata nama senyawa ion, senyawa kovalen biner, asam, dan basa, nama dagang dan nama umum, serta cara menulis, membaca, dan menyetarakan persamaan reaksi dan persamaan ion bersih. Sumber pemilik adalah narasi disiplin Kimia, yang memuat rumus molekul dan empiris dari buku Kimia Dasar 1, penyetaraan persamaan dan reaksi pertukaran dari buku kimia umum, serta contoh persamaan reaksi dari buku Kimia Dasar dan diktat Kimia Dasar.

Struktur atom dan muatan ion dibahas di bab struktur atom, golongan dan sifat unsur di bab tabel periodik, dan ion poliatom serta ikatan ion di bab ikatan kimia. Perhitungan jumlah zat dari persamaan reaksi dibahas di bab berikutnya tentang mol dan stoikiometri. Jenis-jenis reaksi dalam air dibahas di bab tersendiri pada rak ini. Lembar data keselamatan dan nomor identitas bahan dibahas di Bab 10.

Lambang unsur dan rumus kimia

Setiap unsur punya lambang satu atau dua huruf, dengan huruf pertama kapital: H untuk hidrogen, O untuk oksigen, Na untuk natrium, Cl untuk klorin, Ca untuk kalsium, Fe untuk besi. Beberapa lambang berasal dari nama Latin, seperti Na dari natrium dan Fe dari ferrum. Lambang itu sama di seluruh dunia, walaupun nama unsurnya berbeda menurut bahasa.

Rumus kimia menuliskan unsur penyusun suatu zat dan perbandingan jumlah atomnya. Angka kecil di kanan bawah lambang, yang disebut indeks, menyatakan jumlah atom unsur itu. H₂O berarti dua atom hidrogen dan satu atom oksigen. Indeks yang ditulis di luar tanda kurung berlaku untuk semua yang ada di dalam kurung: Ca(OH)₂ berisi satu kalsium, dua oksigen, dan dua hidrogen. Pada hidrat, molekul air yang terikat dalam kristal ditulis setelah titik tengah, misalnya Na₂CO₃·10H₂O untuk kristal soda.

Muatan ion ditulis di kanan atas: Na⁺, Ca²⁺, Cl⁻, CO₃²⁻. Keadaan zat dapat ditambahkan dalam kurung: (s) untuk padatan, (l) untuk cairan, (g) untuk gas, dan (aq) untuk zat yang larut dalam air.

Rumus molekul, rumus empiris, dan rumus struktur

Rumus molekul menyatakan jumlah atom sebenarnya dalam satu molekul. Rumus empiris menyatakan perbandingan bilangan bulat terkecil atom-atom itu. Hidrogen peroksida punya rumus molekul H₂O₂ dan rumus empiris HO. Glukosa punya rumus molekul C₆H₁₂O₆ dan rumus empiris CH₂O. Buku Kimia Dasar 1 dalam sumber mencatat bahwa bagi banyak molekul, rumus molekul dan rumus empiris adalah satu dan sama, misalnya air, H₂O, dan karbon dioksida, CO₂.

Rumus empiris dapat ditentukan dari analisis komposisi, sedangkan rumus molekul memerlukan data tambahan, yaitu massa molar. Buku yang sama memberi soal menentukan rumus molekul dari rumus empiris dan massa molar sekitar 162 dan 169 g. Cara hitungnya dibahas di bab mol dan stoikiometri.

Untuk senyawa ion, tidak ada molekul yang terpisah. Rumus NaCl tidak menyatakan satu molekul, tetapi perbandingan ion dalam kisi, satu Na⁺ untuk setiap Cl⁻. Rumus senyawa ion karena itu selalu berupa rumus empiris, dan satuan terkecilnya disebut satuan rumus.

Rumus struktur menggambarkan cara atom-atom terhubung. Rumus struktur penting karena zat dengan rumus molekul yang sama dapat berbeda susunannya dan sifatnya, seperti etanol dan dimetil eter di bab gaya antarmolekul, yang sama-sama C₂H₆O.

Ion yang umum dan muatannya

Senyawa ion terdiri atas kation dan anion yang muatannya saling meniadakan. Untuk menulis rumus senyawa ion, muatan ion-ionnya harus diketahui. Unsur golongan utama membentuk ion dengan muatan yang dapat diramalkan dari golongannya, seperti dibahas di bab tabel periodik: golongan 1 membentuk ion +1, golongan 2 ion +2, aluminium ion +3, dan golongan 17 ion $-1$. Logam transisi dapat membentuk lebih dari satu ion, seperti Fe²⁺ dan Fe³⁺, atau Cu⁺ dan Cu²⁺.

Ion yang paling sering ditemui dalam kimia air, pembersih, dan korosi:

Ion poliatom seperti sulfat dan karbonat berperilaku sebagai satu kesatuan, dan atom-atom di dalamnya terikat secara kovalen, seperti dibahas di bab ikatan kimia.

Tata nama senyawa ion

Senyawa ion dinamai dengan menyebut kation lebih dulu, lalu anion. NaCl adalah natrium klorida, CaCO₃ kalsium karbonat, NaOH natrium hidroksida, NaOCl natrium hipoklorit. Anion dari satu unsur berakhiran "-ida": klorida, oksida, sulfida. Indeks tidak disebut dalam nama senyawa ion, karena sudah ditentukan oleh muatan: kalsium klorida pasti CaCl₂, karena satu Ca²⁺ memerlukan dua Cl⁻.

Untuk logam yang dapat membentuk lebih dari satu ion, muatannya ditulis dengan angka Romawi dalam kurung. Diktat Kimia Dasar dalam sumber menyebut reaksi besi dengan asam klorida yang menghasilkan besi(II) klorida dan gas hidrogen. FeCl₂ adalah besi(II) klorida, sedangkan FeCl₃ besi(III) klorida. Buku kimia sekolah menengah berbahasa Melayu dalam sumber memakai nama ferum(III) untuk ion yang sama, dan buku berbahasa Inggris memakai iron(III). Lambang Fe dan angka Romawinya tetap sama di semua bahasa, sehingga rumus lebih dapat dipercaya daripada nama ketika membaca label dari berbagai negara.

Anion yang mengandung oksigen punya akhiran yang menyatakan jumlah oksigennya. Untuk klorin, urutannya dari oksigen terbanyak: perklorat (ClO₄⁻), klorat (ClO₃⁻), klorit (ClO₂⁻), dan hipoklorit (ClO⁻, sering ditulis OCl⁻). Untuk belerang: sulfat (SO₄²⁻) dan sulfit (SO₃²⁻). Anion yang masih mengandung hidrogen disebut dengan awalan "hidrogen": hidrogen karbonat (HCO₃⁻) dan hidrogen sulfat (HSO₄⁻). Nama lama bikarbonat masih umum dipakai.

Tata nama senyawa kovalen biner

Senyawa kovalen dari dua unsur nonlogam dinamai dengan awalan angka Yunani yang menyatakan jumlah atom: mono (1), di (2), tri (3), tetra (4), penta (5), heksa (6). Unsur yang lebih ke kiri atau lebih bawah di tabel periodik disebut lebih dulu, dan unsur kedua berakhiran "-ida". CO adalah karbon monoksida, CO₂ karbon dioksida, SO₂ belerang dioksida, N₂O₄ dinitrogen tetroksida. Buku Kimia Dasar 1 dalam sumber menyebut silikon tetraklorida, SiCl₄, yang dibuat dengan memanaskan silikon dalam gas klor. Awalan "mono" biasanya tidak dipakai untuk unsur pertama.

Perbedaan dengan senyawa ion penting: pada senyawa kovalen, indeks tidak dapat diturunkan dari muatan, sehingga harus disebut dalam nama. Karbon monoksida dan karbon dioksida tersusun dari unsur yang sama tetapi sifatnya sangat berbeda: yang pertama gas beracun yang tidak berbau, yang kedua hasil pembakaran sempurna.

Senyawa organik, yaitu senyawa karbon dengan hidrogen dan unsur lain, punya sistem tata nama sendiri, seperti dicatat buku kimia umum dalam sumber. Bab ini hanya memakai beberapa nama organik yang sudah umum: metana, propana, etanol, asam asetat, asam sitrat. Tata nama organik dibahas pada tingkat lanjut rak ini.

Nama asam dan basa

Asam yang umum dinamai dengan kata "asam" diikuti nama anionnya. HCl dalam air adalah asam klorida, H₂SO₄ asam sulfat, HNO₃ asam nitrat, H₃PO₄ asam fosfat. Asam organik yang sering dipakai dalam pembersih kerak dan penetral adalah asam asetat (asam cuka), asam sitrat, dan asam format. Asam sulfamat juga dipakai sebagai pembersih kerak dalam bentuk padat.

Basa logam dinamai dengan nama logam diikuti "hidroksida": natrium hidroksida (NaOH), kalium hidroksida (KOH), kalsium hidroksida (Ca(OH)₂). Amonia, NH₃, adalah basa yang tidak mengandung ion hidroksida dalam rumusnya, tetapi menghasilkan ion hidroksida ketika bereaksi dengan air. Perilaku asam dan basa dalam air dibahas di Bab 8 dan di bab jenis reaksi dalam air.

Nama dagang, nama umum, dan nama sistematis

Di lapangan, bahan kimia jarang disebut dengan nama sistematis. Daftar berikut menghubungkan nama yang sering terdengar dengan nama sistematis dan rumusnya:

Kata "soda" saja tidak cukup untuk mengenali zat, seperti di kasus pembuka. Nama dagang produk lebih tidak jelas lagi, karena satu nama dagang dapat berisi campuran beberapa zat. Lembar data keselamatan mencantumkan nama sistematis dan nomor identitas bahan, seperti nomor CAS, untuk setiap komponen berbahaya; nomor CAS natrium hidroksida adalah 1310-73-2 dan natrium hipoklorit 7681-52-9. Bab 10 membahas cara membaca lembar data itu.

Persamaan reaksi

Persamaan reaksi menuliskan zat yang bereaksi (pereaksi) di sebelah kiri, zat yang terbentuk (hasil reaksi) di sebelah kanan, dan anak panah di antaranya:

$\text{CaCO}_3(s) + 2\,\text{HCl}(aq) \rightarrow \text{CaCl}_2(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) + \text{CO}_2(g)$

Angka di depan rumus disebut koefisien. Koefisien menyatakan perbandingan jumlah partikel, dan juga perbandingan jumlah mol. Buku Kimia Dasar dalam sumber membaca persamaan pembentukan karat besi dengan cara itu: 4 mol Fe bereaksi dengan 3 mol O₂ menghasilkan 2 mol Fe₂O₃. Buku Kimia Dasar lain dalam sumber membaca persamaan pengendapan barium sulfat: 1 mol BaSO₄ sebanding dengan 1 mol Na₂SO₄. Perbandingan itu dipakai untuk menghitung jumlah bahan di bab berikutnya.

Persamaan di atas, misalnya, dibaca: satu satuan rumus kalsium karbonat padat bereaksi dengan dua molekul asam klorida dalam larutan, menghasilkan kalsium klorida terlarut, air, dan gas karbon dioksida. Itulah reaksi yang terjadi ketika kerak dibersihkan dengan asam, dan gelembung yang terlihat adalah karbon dioksida.

Menyetarakan persamaan reaksi

Dalam reaksi kimia, atom tidak diciptakan dan tidak dimusnahkan; atom hanya disusun ulang. Karena itu jumlah atom setiap unsur di kedua sisi persamaan harus sama. Persamaan yang memenuhi syarat itu disebut setara.

Menyetarakan dilakukan dengan mengubah koefisien, tidak pernah dengan mengubah indeks. Mengubah indeks berarti mengubah zatnya: mengganti H₂O menjadi H₂O₂ menyetarakan oksigen, tetapi mengubah air menjadi hidrogen peroksida. Urutan kerja yang praktis:

1. Tulis rumus semua pereaksi dan hasil reaksi dengan benar.
2. Setarakan unsur yang hanya muncul di satu zat pada setiap sisi, biasanya logam dan karbon lebih dulu.
3. Setarakan hidrogen, lalu oksigen, yang sering muncul di beberapa zat.
4. Bila muncul pecahan, kalikan semua koefisien agar menjadi bilangan bulat terkecil.
5. Periksa ulang setiap unsur.

Buku kimia umum dalam sumber memakai cara ini pada pembakaran hidrokarbon: jumlah atom karbon disetarakan dengan mengubah koefisien CO₂ dari 1 menjadi 4. Contoh 5 dan 6 menunjukkan langkah lengkapnya.

Persamaan ion dan ion penonton

Banyak reaksi dalam air sebenarnya terjadi antara ion-ion. Ketika larutan barium klorida dicampur dengan larutan natrium sulfat, persamaan lengkapnya:

$\text{BaCl}_2(aq) + \text{Na}_2\text{SO}_4(aq) \rightarrow \text{BaSO}_4(s) + 2\,\text{NaCl}(aq)$

Buku kimia umum dalam sumber mencatat bahwa dalam persamaan semacam ini kation logam tampak bertukar anion. Bila semua zat yang larut dan terurai ditulis sebagai ion, ion Na⁺ dan Cl⁻ muncul sama di kedua sisi. Ion yang tidak ikut berubah itu disebut ion penonton dan dicoret. Yang tersisa adalah persamaan ion bersih:

$\text{Ba}^{2+}(aq) + \text{SO}_4^{2-}(aq) \rightarrow \text{BaSO}_4(s)$

Persamaan ion bersih harus setara dalam jumlah atom dan juga dalam muatan. Buku kimia umum dalam sumber menekankan pemeriksaan akhir itu: persamaan setara baik untuk massa maupun untuk muatan. Di sisi kiri muatan totalnya $+2 - 2 = 0$, dan di sisi kanan 0.

Contoh kerja

Contoh 1. Menghitung atom dalam rumus. Ca(OH)₂ berisi 1 Ca, 2 O, dan 2 H, total 5 atom. Al₂(SO₄)₃ berisi 2 Al, $3 \times 1 = 3$ S, dan $3 \times 4 = 12$ O, total 17 atom.

Contoh 2. Menulis rumus dari nama. Kalsium karbonat: Ca²⁺ dan CO₃²⁻, muatan sudah seimbang, CaCO₃. Aluminium sulfat: Al³⁺ dan SO₄²⁻; kelipatan persekutuan terkecil 6 memerlukan 2 Al³⁺ dan 3 SO₄²⁻, Al₂(SO₄)₃. Besi(III) oksida: Fe³⁺ dan O²⁻, Fe₂O₃. Amonium klorida: NH₄Cl. Natrium hipoklorit: NaOCl.

Contoh 3. Menulis nama dari rumus. MgSO₄ adalah magnesium sulfat. FeCl₂: klorida $-1$ dua buah, jadi besi bermuatan +2, besi(II) klorida. NaHCO₃ adalah natrium hidrogen karbonat. KOH kalium hidroksida. SO₂, senyawa kovalen dua nonlogam, belerang dioksida.

Contoh 4. Rumus empiris dari rumus molekul. H₂O₂ dibagi 2 menjadi HO. C₆H₁₂O₆ dibagi 6 menjadi CH₂O. C₂H₆ dibagi 2 menjadi CH₃. H₂O tidak dapat dibagi, sehingga rumus empirisnya sama dengan rumus molekulnya.

Contoh 5. Menyetarakan pembakaran propana. Kerangka: C₃H₈ + O₂ → CO₂ + H₂O. Karbon: 3 di kiri, sehingga koefisien CO₂ menjadi 3. Hidrogen: 8 di kiri, sehingga koefisien H₂O menjadi 4. Oksigen di kanan: $3 \times 2 + 4 \times 1 = 10$ atom, sehingga diperlukan 5 O₂. Hasilnya:

$\text{C}_3\text{H}_8 + 5\,\text{O}_2 \rightarrow 3\,\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O}$

Contoh 6. Menyetarakan pembakaran butana. Kerangka: C₄H₁₀ + O₂ → CO₂ + H₂O. Karbon memberi 4 CO₂, hidrogen memberi 5 H₂O, dan oksigen di kanan $8 + 5 = 13$ atom, sehingga diperlukan $13/2$ O₂. Semua koefisien dikali 2: 2 C₄H₁₀ + 13 O₂ → 8 CO₂ + 10 H₂O. Pemeriksaan: C $8 = 8$, H $20 = 20$, O $26 = 16 + 10$.

Contoh 7. Netralisasi dan persamaan ion bersih. NaOH(aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H₂O(l). Na⁺ dan Cl⁻ adalah ion penonton. Persamaan ion bersihnya, dengan ion hidronium seperti di Bab 8:

$\text{H}_3\text{O}^+(aq) + \text{OH}^-(aq) \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}(l)$

Persamaan ini sering disederhanakan menjadi H⁺ + OH⁻ → H₂O. Semua netralisasi asam kuat dengan basa kuat punya persamaan ion bersih yang sama.

Contoh 8. Membersihkan kerak dengan asam. Persamaan di bagian persamaan reaksi diperiksa: Ca 1 = 1; C 1 = 1; O $3 = 1 + 2$; H $2 = 2$; Cl $2 = 2$. Persamaan setara. Setiap satuan rumus kalsium karbonat yang larut melepaskan satu molekul karbon dioksida, sehingga pembersihan kerak yang tebal menghasilkan banyak gas.

Contoh 9. Pemutih klorin dicampur asam. Persamaannya:

$\text{NaOCl} + 2\,\text{HCl} \rightarrow \text{NaCl} + \text{Cl}_2 + \text{H}_2\text{O}$

Pemeriksaan: Na $1 = 1$; O $1 = 1$; Cl $1 + 2 = 3$ di kiri dan $1 + 2 = 3$ di kanan; H $2 = 2$. Hasil reaksinya gas klorin, Cl₂, yang beracun. Persamaan ini adalah alasan kimia di balik larangan mencampur pemutih klorin dengan bahan asam di Bab 8 · Laundry.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan bila:

1. Wadah bahan kimia tidak berlabel, atau labelnya hanya nama umum seperti "soda" atau "asam". Jangan memakai, menuang, atau mencampur isinya sebelum identitasnya dipastikan dari lembar data keselamatan atau pemasok.
2. Dua bahan akan dicampur, dan persamaan reaksinya menghasilkan gas beracun, seperti klorin dari pemutih klorin dan asam. Ikuti Bab 8 · Laundry dan Bab 1 · Keselamatan.
3. Pembersih kerak asam akan dipakai pada peralatan tertutup tanpa jalan keluar bagi gas karbon dioksida yang terbentuk.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Natrium hidroksida dan natrium hipoklorit kurang lebih sama." Keduanya mengandung natrium, tetapi yang satu alkali kuat dan yang lain pemutih oksidator. Anionnya yang menentukan sifat.

"Persamaan dapat disetarakan dengan mengubah indeks." Mengubah indeks mengubah zatnya. Hanya koefisien yang boleh diubah.

"NaCl adalah satu molekul garam." Senyawa ion tidak membentuk molekul terpisah. NaCl menyatakan perbandingan ion dalam kisi.

"Nama dagang sudah cukup untuk mengenali isi produk." Nama dagang tidak menyatakan komposisi. Komposisi ada di lembar data keselamatan.

"Koefisien menyatakan perbandingan massa." Koefisien menyatakan perbandingan jumlah partikel dan mol. Perbandingan massa memerlukan massa molar, seperti di bab berikutnya.

"Persamaan yang setara atomnya pasti benar." Persamaan ion juga harus setara muatannya, dan zat-zatnya harus benar-benar terbentuk dalam kondisi itu.

Hubungan dengan bab lain

Bab struktur atom, tabel periodik, dan ikatan kimia memberi dasar muatan ion dan ion poliatom. Bab gaya antarmolekul menunjukkan pentingnya rumus struktur. Bab 8 membahas asam, basa, dan ion hidronium dalam larutan. Bab 10 membahas lembar data keselamatan dan identitas bahan, Bab 8 · Laundry membahas campuran pemutih yang berbahaya, dan Bab 1 · Keselamatan membahas penghentian kerja ketika bahaya muncul. Bab mol dan stoikiometri memakai koefisien persamaan untuk menghitung jumlah zat, dan bab jenis reaksi dalam air memakai persamaan ion bersih.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tunjukkan muatan ion atau jumlah atom yang dipakai.

1. Tuliskan rumus natrium sulfat, kalsium klorida, dan magnesium hidroksida.
2. Namai K₂CO₃, CuSO₄ (tembaga bermuatan +2), dan N₂O₄.
3. Setarakan pembentukan karat: Fe + O₂ → Fe₂O₃.
4. Setarakan reaksi aluminium dengan asam klorida: Al + HCl → AlCl₃ + H₂.
5. Tuliskan persamaan ion bersih untuk BaCl₂(aq) + Na₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + 2 NaCl(aq).
6. Mengapa jeriken berlabel "soda" di kasus pembuka tidak boleh langsung dipakai untuk menetralkan asam?

Kunci jawaban beralasan

1. Na₂SO₄ (dua Na⁺ untuk satu SO₄²⁻), CaCl₂ (satu Ca²⁺ untuk dua Cl⁻), Mg(OH)₂ (satu Mg²⁺ untuk dua OH⁻).
2. Kalium karbonat; tembaga(II) sulfat; dinitrogen tetroksida (senyawa kovalen, sehingga awalan jumlah atom dipakai).
3. 4 Fe + 3 O₂ → 2 Fe₂O₃. Pemeriksaan: Fe $4 = 4$, O $6 = 6$. Perbandingan ini sama dengan contoh di buku Kimia Dasar dalam sumber.
4. 2 Al + 6 HCl → 2 AlCl₃ + 3 H₂. Pemeriksaan: Al $2 = 2$, H $6 = 6$, Cl $6 = 6$.
5. Ba²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) → BaSO₄(s). Na⁺ dan Cl⁻ adalah ion penonton, dan muatan kedua sisi sama dengan nol.
6. "Soda" dapat berarti NaOH, Na₂CO₃, atau NaHCO₃. Soda kaustik bereaksi sangat panas dengan asam, dan soda abu serta soda kue melepaskan banyak gas karbon dioksida. Identitas dan konsentrasinya harus dipastikan dulu dari lembar data keselamatan.

Referensi