Jenis reaksi dalam air: pengendapan, netralisasi, redoks, dan pembentukan gas

Dalam satu minggu, seorang teknisi menangani empat keluhan yang tampak tidak berhubungan. Elemen pemanas mesin pencuci piring di satu restoran tertutup kerak putih. Di laundry hotel, seorang petugas melepuh ringan ketika menuang soda kaustik ke ember yang masih berisi sisa pembersih asam. Di dapur lain, ruang cuci berbau tajam setelah lantai dibersihkan dengan dua produk berbeda secara bergantian. Di bengkel, keranjang aluminium yang direndam deterjen alkali berbuih dan permukaannya menjadi kusam.

Keempat keluhan itu adalah empat jenis reaksi dalam air: pengendapan, netralisasi, redoks, dan pembentukan gas. Masing-masing punya tanda yang dapat dikenali dan persamaan yang dapat ditulis. Teknisi yang dapat mengenali jenis reaksi dari bahan yang bertemu dapat memperkirakan akibatnya sebelum terjadi. Bab ini menjelaskan keempat jenis itu.

Batas pembahasan

Bab ini membahas elektrolit, reaksi pengendapan dan aturan kelarutan garam, kerak sebagai pengendapan, reaksi asam-basa dan netralisasi, panas netralisasi, reaksi pembentukan gas, reaksi redoks dan bilangan oksidasi, redoks di lapangan, dan cara mengenali jenis reaksi.

Persamaan reaksi dan persamaan ion bersih dibahas di Bab 6 tentang rumus kimia dan persamaan reaksi, dan perhitungan jumlah zat di Bab 7 tentang mol dan stoikiometri. pH dan konsentrasi ion hidronium dibahas di Bab 8 tentang larutan, konsentrasi, dan pH. Penerapan pada kesadahan air laundry ada di Bab 4 · Laundry tentang air sebagai bahan baku laundry, pemutih dan campuran berbahaya di Bab 8 · Laundry tentang oksidator dan penyelesai, kerak dan descaling mesin pencuci piring di Bab 9 · Dishwashing tentang mutu air dan kerak mesin pencuci piring, dan korosi logam di Bab 1 · Material tentang struktur material dan korosi. Kesetimbangan kelarutan dibahas secara kuantitatif di Bab 16 tentang kelarutan dan pengendapan, dan elektrokimia di Bab 18 tentang elektrokimia.

Elektrolit dan ion dalam air

Banyak zat terurai menjadi ion ketika larut dalam air. Elektrolit (electrolyte) adalah zat seperti itu; larutannya menghantar listrik, seperti dibahas di Bab 4 tentang ikatan kimia. Elektrolit kuat terurai hampir seluruhnya: garam yang larut, asam kuat seperti asam klorida, dan basa kuat seperti natrium hidroksida. Elektrolit lemah hanya terurai sebagian: asam asetat, asam sitrat, dan amonia. Zat seperti gula dan etanol larut tanpa terurai menjadi ion dan disebut nonelektrolit (nonelectrolyte).

Karena ion-ion bergerak bebas dalam larutan, reaksi dalam air sering terjadi antara ion, bukan antara senyawa utuh. Reaksi itu terjadi bila ada sesuatu yang mengeluarkan ion dari larutan: terbentuk padatan yang mengendap, terbentuk air yang hampir tidak terurai, terbentuk gas yang lepas, atau elektron berpindah dari satu zat ke zat lain. Empat kemungkinan itulah empat jenis reaksi dalam bab ini.

Reaksi pengendapan

Reaksi pengendapan (precipitation reaction) adalah reaksi yang terjadi ketika dua larutan dicampur dan kation dari satu larutan bertemu anion dari larutan lain membentuk senyawa yang sukar larut. Senyawa itu keluar sebagai padatan halus yang disebut endapan (precipitate), dan larutan menjadi keruh. Analisis kualitatif memakai banyak reaksi seperti itu: dengan amonium karbonat terbentuk endapan putih kalsium karbonat, dengan natrium hidroksida terbentuk endapan biru tembaga hidroksida, dan dengan amonia terbentuk endapan cokelat besi(III) hidroksida. Warna endapan dipakai untuk mengenali ion dalam sampel.

Tidak semua ion ikut membentuk endapan. Ketika larutan kalsium klorida dicampur dengan larutan natrium karbonat, Ca²⁺ dan CO₃²⁻ membentuk endapan putih CaCO₃, sedangkan Na⁺ dan Cl⁻ tetap terlarut, karena natrium klorida larut. Ion penonton (spectator ion) adalah ion yang ada di dalam larutan tetapi tidak ikut bereaksi, seperti Na⁺ dan Cl⁻ di sini, sehingga tidak ditulis dalam persamaan ion bersih: Ca²⁺(aq) + CO₃²⁻(aq) → CaCO₃(s). Tanda (aq) menyatakan zat yang terlarut dalam air, (s) padatan, (l) cairan, dan (g) gas.

Aturan kelarutan yang sederhana cukup untuk sebagian besar keperluan lapangan:

• Garam natrium, kalium, dan amonium, serta semua garam nitrat, larut.
• Klorida umumnya larut, kecuali perak klorida dan timbal klorida. Timbal klorida terbentuk sebagai endapan putih, dan perak fluorida tidak mengendap karena larut dalam air.
• Sulfat umumnya larut, kecuali barium sulfat dan timbal sulfat; kalsium sulfat sukar larut.
• Karbonat, fosfat, dan hidroksida umumnya sukar larut, kecuali garam natrium, kalium, dan amonium. Kalsium hidroksida sedikit larut.

Endapan perak halida dipakai dalam analisis: perak nitrat ditambahkan untuk mengendapkan perak bromida, dan massa endapan perak klorida dihitung dari jumlah perak nitrat. Perhitungan seperti itu memakai cara di Bab 7 tentang mol dan stoikiometri.

Kerak sebagai pengendapan

Kerak (scale) adalah endapan dari reaksi pengendapan yang terjadi pelan-pelan di dalam peralatan. Air sadah mengandung ion kalsium dan magnesium, dan biasanya juga ion hidrogen karbonat. Ketika air dipanaskan, hidrogen karbonat terurai dan membentuk karbonat, yang langsung mengendap bersama kalsium:

$\text{Ca}^{2+} + 2\,\text{HCO}_3^- \rightarrow \text{CaCO}_3(s) + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2(g)$

Karena kalsium karbonat juga kurang larut pada suhu tinggi, seperti dibahas di Bab 5 tentang gaya antarmolekul dan kelarutan, endapan terbentuk paling banyak di permukaan yang paling panas: elemen pemanas, dinding boiler, dan nosel bilas air panas. Alkali dalam deterjen menaikkan konsentrasi karbonat dan mempercepat pengendapan yang sama.

Cara mencegah kerak memakai kimia yang sama. Pelunak air menukar ion kalsium dan magnesium dengan ion natrium, yang garamnya larut. Pengkelat mengikat ion kalsium dalam bentuk terlarut sehingga tidak dapat bertemu karbonat, seperti dibahas di Bab 6 · Laundry tentang kimia pembersih. Bab 4 · Laundry tentang air sebagai bahan baku laundry dan Bab 9 · Dishwashing tentang mutu air dan kerak mesin pencuci piring membahas penerapannya pada laundry dan mesin pencuci piring.

Reaksi asam-basa dan netralisasi

Menurut definisi Brønsted, asam (acid) adalah zat yang memberikan ion hidrogen (proton), dan basa (base) adalah zat yang menerima ion hidrogen. Asam dan basa Brønsted dapat dikenali dalam setiap reaksi asam-basa; persamaan reaksi HCl dengan NH₃, misalnya, menunjukkan bahwa HCl asam dan NH₃ basa. Dalam air, asam memberi proton kepada air sehingga terbentuk ion hidronium, seperti dibahas di Bab 8 tentang larutan, konsentrasi, dan pH.

Netralisasi (neutralization) adalah reaksi asam dengan basa yang menghasilkan garam dan air. Untuk asam kuat dan basa kuat, persamaan ion bersihnya selalu sama:

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

Kation dari basa dan anion dari asam, misalnya Na⁺ dan Cl⁻ pada reaksi NaOH dengan HCl, menjadi ion penonton, sehingga persamaan ion bersih ini berlaku untuk setiap pasangan asam kuat dan basa kuat.

Titrasi asam-basa memakai reaksi ini untuk mengukur konsentrasi. Indikator (indicator) dalam titrasi asam-basa adalah zat yang warnanya jelas berbeda dalam suasana asam dan basa, dan alkalimetri adalah titrasi penetralan yang memakai larutan baku basa. Bab 9 · Laundry tentang pH dan pengukuran kimia sepanjang siklus memakai titrasi untuk mengukur alkalinitas larutan cuci, dan penetral di akhir siklus cuci laundry, yang bersifat asam, menetralkan sisa alkali di kain, seperti dibahas di Bab 8 · Laundry tentang oksidator dan penyelesai.

Panas netralisasi

Netralisasi melepaskan panas. Untuk asam kuat dengan basa kuat dalam larutan encer, panas yang dilepas sekitar 56 kJ untuk setiap mol air yang terbentuk. Dalam larutan encer, panas itu tersebar dalam banyak air sehingga kenaikan suhunya kecil. Dalam larutan pekat, panas yang sama dilepas ke sedikit air dan dapat menaikkan suhu sampai mendekati titik didih, sehingga larutan memercik atau mendidih seketika, seperti di Contoh 3. Besarnya kenaikan suhu dapat diperkirakan dengan

$Q = n \times 56\ \text{kJ}, \qquad \Delta T = \frac{Q}{m\,c}$

dengan $n$ jumlah mol air yang terbentuk, $Q$ panas yang dilepas, $m$ massa larutan, $c$ kalor jenis larutan, dan $\Delta T$ kenaikan suhu dalam kelvin. Kalor jenis didekati kalor jenis air, 4,18 J/(g·K), sehingga $Q$ dimasukkan dalam joule dan $m$ dalam gram. Perkiraan ini menganggap seluruh panas tinggal di larutan, tanpa rugi panas ke wadah dan udara.

Itulah yang terjadi di kasus pembuka, ketika soda kaustik dituang ke ember berisi sisa asam. Melarutkan soda kaustik padat dalam air juga melepaskan panas besar, seperti dicatat di Bab 4 tentang ikatan kimia, sehingga kedua panas itu dapat terjadi bersamaan. Menetralkan larutan pekat dilakukan dengan mengencerkan lebih dulu dan menambahkan penetral sedikit demi sedikit sambil diaduk.

Reaksi pembentukan gas

Beberapa reaksi dalam air menghasilkan gas yang keluar sebagai gelembung. Gas itu sering menjadi tanda pertama bahwa reaksi sedang berlangsung, dan sebagian gas itu berbahaya:

• Karbonat atau hidrogen karbonat dengan asam menghasilkan karbon dioksida, misalnya ketika karbonat direaksikan dengan asam klorida. Reaksi ini terjadi setiap kali kerak dibersihkan dengan asam, dan jumlah gasnya dihitung di Bab 7 tentang mol dan stoikiometri.
• Logam aktif dengan asam menghasilkan gas hidrogen. Besi dengan asam klorida, misalnya, membentuk besi(II) klorida dan gas hidrogen. Hidrogen mudah terbakar.
• Aluminium dan seng dengan alkali kuat juga menghasilkan gas hidrogen, karena logam itu larut dalam asam maupun basa kuat. Itulah sebabnya keranjang aluminium berbuih dan menjadi kusam dalam deterjen alkali kuat, seperti di kasus pembuka.
• Garam amonium dengan basa kuat melepaskan gas amonia yang berbau tajam.
• Pemutih hipoklorit dengan asam melepaskan gas klorin yang beracun, seperti dibahas di Bab 8 · Laundry tentang oksidator dan campuran berbahaya. Reaksi ini juga reaksi redoks, seperti dijelaskan di Contoh 6.

Reaksi redoks: oksidasi dan reduksi

Reaksi redoks (redox reaction) adalah reaksi perpindahan elektron. Oksidasi (oxidation) adalah pelepasan elektron, dan reduksi (reduction) adalah penerimaan elektron. Keduanya selalu terjadi bersamaan: elektron yang dilepas satu zat diterima zat lain. Ion besi(III), Fe³⁺, misalnya, mengalami reduksi dengan menerima elektron membentuk ion besi(II), Fe²⁺.

Oksidator (oxidizing agent) adalah zat yang menyebabkan zat lain teroksidasi; oksidator itu sendiri tereduksi. Reduktor (reducing agent) adalah zat yang menyebabkan zat lain tereduksi; reduktor itu sendiri teroksidasi. Oksigen molekuler adalah oksidator kuat dan salah satu bahan kimia industri yang paling banyak dipakai. Pemutih klorin dan pemutih oksigen bekerja sebagai oksidator yang merusak gugus pemberi warna pada noda, seperti dibahas di Bab 8 · Laundry tentang oksidator dan penyelesai.

Menentukan bilangan oksidasi

Untuk mengenali reaksi redoks yang tidak jelas perpindahan elektronnya, kimia memakai bilangan oksidasi. Bilangan oksidasi (oxidation number) adalah muatan yang dimiliki atom bila semua ikatannya dianggap ion. Dalam persamaan reaksi, bilangan oksidasi dapat dituliskan di atas lambang unsur. Aturan dasarnya:

1. Unsur bebas punya bilangan oksidasi 0: Fe, O₂, Cl₂.
2. Bilangan oksidasi unsur dalam ion tunggal sama dengan muatannya: Na⁺ +1, Ca²⁺ +2, Cl⁻ $-1$.
3. Oksigen dalam senyawa biasanya $-2$; pengecualian utama adalah peroksida seperti H₂O₂, dengan oksigen $-1$.
4. Hidrogen dalam senyawa biasanya +1.
5. Jumlah bilangan oksidasi semua atom sama dengan muatan total: 0 untuk senyawa netral, dan sama dengan muatan ion untuk ion poliatom.

Dengan aturan itu, dan dengan $x$ sebagai bilangan oksidasi unsur yang dicari, belerang dalam SO₄²⁻ adalah $x + 4(-2) = -2$, sehingga $x = +6$. Klorin dalam NaOCl adalah $+1 + x + (-2) = 0$, sehingga $x = +1$. Klorin dan bromin punya bilangan oksidasi +5 dalam asam klorat dan asam bromat. Reaksi adalah redoks bila bilangan oksidasi suatu unsur berubah. Kenaikan bilangan oksidasi adalah oksidasi, dan penurunan adalah reduksi.

Redoks di lapangan

Redoks hadir di banyak tempat di lapangan. Korosi besi adalah oksidasi besi oleh oksigen dengan air sebagai perantara, dan menghasilkan karat. Pemutihan noda adalah oksidasi gugus warna. Desinfeksi dengan klorin adalah oksidasi bagian penting sel mikroba. Elektrolisis dan baterai adalah redoks yang dipisahkan sehingga elektron mengalir melalui kawat.

Reaksi penggantian logam adalah contoh redoks yang mudah dilihat, misalnya serbuk seng berlebih yang ditambahkan ke larutan tembaga(II) sulfat:

$\text{Zn}(s) + \text{Cu}^{2+}(aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+}(aq) + \text{Cu}(s)$

Seng teroksidasi dari 0 menjadi +2, dan tembaga tereduksi dari +2 menjadi 0. Warna biru larutan memudar dan tembaga merah mengendap. Reaksi yang sama, dengan besi menggantikan seng, menjelaskan mengapa air yang membawa ion tembaga dari pipa tembaga dapat mempercepat korosi baja galvanis atau aluminium di bagian hilirnya. Bab 1 · Material tentang struktur material dan korosi membahas korosi galvanik.

Mengenali jenis reaksi

Ketika dua bahan akan bertemu dalam air, pertanyaan berikut membantu memperkirakan apa yang terjadi:

1. Apakah ada asam dan basa? Bila ya, terjadi netralisasi dan panas dilepas.
2. Apakah ada asam dan karbonat, asam dan logam aktif, atau basa kuat dan aluminium atau garam amonium? Bila ya, terbentuk gas.
3. Apakah ada oksidator, seperti pemutih klorin, hidrogen peroksida, atau oksigen, bersama zat yang mudah dioksidasi? Bila ya, terjadi redoks, dan hasilnya dapat berupa gas berbahaya.
4. Apakah kation dan anion dari dua larutan membentuk garam yang sukar larut? Bila ya, terbentuk endapan.

Satu reaksi dapat masuk lebih dari satu jenis. Pembersihan kerak dengan asam adalah reaksi asam-basa sekaligus pembentukan gas. Pemutih klorin dengan asam adalah redoks sekaligus pembentukan gas.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: batas atas kerak dari air sadah. Mesin memakai 2 m³ air panas per hari dengan kesadahan 120 mg/L sebagai CaCO₃. Volume 2 m³ sama dengan 2.000 L. Bila semua kesadahan mengendap, kerak yang terbentuk $120 \times 2.000 = 240.000$ mg, yaitu 240 g per hari, atau 7,2 kg dalam 30 hari. Angka ini adalah batas atas; jumlah nyata bergantung pada suhu, pH, dan pelunakan, tetapi besarnya menjelaskan mengapa pelunak air diperlukan.

Contoh 2: menetralkan sisa alkali. Air bilas 50 L mengandung NaOH 0,004 mol/L, dengan pH sekitar 11,6 pada 25 °C. Mol OH⁻ $= 0{,}004 \times 50 = 0{,}20$ mol, sehingga diperlukan 0,20 mol ion hidrogen dari penetral asam. Untuk asam monoprotik kuat seperti HCl, itu setara $0{,}20 \times 36{,}46 = 7{,}3$ g HCl murni.

Contoh 3: panas dari menetralkan larutan pekat. Satu liter NaOH 10 mol/L dicampur dengan satu liter HCl 10 mol/L. Air yang terbentuk 10 mol, dan panas yang dilepas sekitar $10 \times 56 = 560$ kJ. Bila panas itu masuk ke sekitar 2 kg larutan dengan kalor jenis mendekati air, kenaikan suhunya $560.000/(2.000 \times 4{,}18) = 67$ K. Dari 30 °C, larutan mendekati 97 °C, hampir mendidih. Perkiraan ini mengabaikan rugi panas dan perbedaan kalor jenis, tetapi cukup untuk menunjukkan bahayanya. Dalam 50 L larutan encer di Contoh 2, panasnya hanya $0{,}20 \times 56 = 11$ kJ, dan suhu naik kurang dari 0,1 K.

Contoh 4: aluminium dalam deterjen alkali. Persamaan:

$2\,\text{Al} + 2\,\text{NaOH} + 6\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\,\text{Na}[\text{Al(OH)}_4] + 3\,\text{H}_2$

Pemeriksaan: Al $2 = 2$; Na $2 = 2$; O $2 + 6 = 8 = 2 \times 4$; H $2 + 12 = 14 = 8 + 6$. Satu mol aluminium (27 g) menghasilkan 1,5 mol H₂, yaitu $1{,}5 \times 24 = 36$ L gas hidrogen pada suhu ruang. Angka 24 L adalah volume satu mol gas apa pun pada suhu dan tekanan ruang. Aluminium teroksidasi dari 0 menjadi +3, dan hidrogen dari air tereduksi dari +1 menjadi 0.

Contoh 5: gas klorin dari pemutih dan asam. Pemutih 100 g berkadar natrium hipoklorit 5 persen massa berisi 5,0 g NaOCl, yaitu $5{,}0/74{,}44 = 0{,}067$ mol. Dengan asam berlebih, persamaan NaOCl + 2 HCl → NaCl + Cl₂ + H₂O menghasilkan 0,067 mol Cl₂, yaitu $0{,}067 \times 24 = 1{,}6$ L gas klorin. Dalam ruang 10 m³, yaitu 10.000 L, konsentrasinya rata-rata sekitar $1{,}6/10.000 = 160$ bagian per juta volume, jauh di atas batas paparan yang tercantum di lembar data keselamatan pemutih.

Contoh 6: bilangan oksidasi dalam reaksi pemutih dan asam. Dalam NaOCl, klorin +1. Dalam HCl, klorin $-1$. Dalam Cl₂, klorin 0. Klorin dari hipoklorit tereduksi dari +1 ke 0, dan klorin dari asam klorida teroksidasi dari $-1$ ke 0. Reaksi ini redoks, dengan hipoklorit sebagai oksidator dan klorida sebagai reduktor.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan laporkan kepada pengawas pekerjaan bila:

1. Tercium bau tajam seperti klorin atau amonia ketika bahan kimia dicampur atau ketika lantai dibersihkan dengan dua produk. Hentikan, tinggalkan ruangan, buka ventilasi dari luar bila aman, dan ikuti Bab 8 · Laundry tentang oksidator dan campuran berbahaya dan Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, dan kondisi berhenti.
2. Asam pekat dan basa pekat akan dinetralkan langsung satu sama lain. Encerkan lebih dulu, tambahkan sedikit demi sedikit, dan pakai pelindung mata dan sarung tangan.
3. Bagian aluminium, seng, atau baja galvanis akan direndam dalam deterjen alkali kuat atau asam di dalam tangki tertutup. Gas hidrogen yang terbentuk mudah terbakar.
4. Wadah bekas satu bahan kimia akan dipakai untuk bahan lain tanpa dibilas, terutama wadah pemutih klorin dan wadah penetral asam.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 6 tentang rumus kimia dan persamaan reaksi memberi cara menulis persamaan ion bersih, dan Bab 7 tentang mol dan stoikiometri memberi cara menghitung jumlah endapan, gas, dan penetral. Bab 4 tentang ikatan kimia dan Bab 5 tentang gaya antarmolekul menjelaskan mengapa garam larut atau tidak. Bab 8 tentang larutan, konsentrasi, dan pH membahas pH, dan Bab 6 · Laundry tentang kimia pembersih membahas pengkelat. Bab 4 · Laundry tentang air sebagai bahan baku laundry dan Bab 9 · Dishwashing tentang mutu air dan kerak mesin pencuci piring membahas kesadahan dan kerak. Bab 8 · Laundry tentang oksidator dan penyelesai membahas pemutih dan campuran berbahaya, Bab 9 · Laundry tentang pH dan pengukuran kimia membahas titrasi alkalinitas, Bab 1 · Material tentang struktur material dan korosi membahas korosi, dan Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, dan kondisi berhenti menjadi dasar Kondisi berhenti 1. Kesetimbangan kelarutan dibahas secara kuantitatif di Bab 16 tentang kelarutan dan pengendapan, dan elektrokimia di Bab 18 tentang elektrokimia.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, sebutkan jenis reaksinya dan alasannya.