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.

Struktur atom dan muatan ion dibahas di Bab 2 tentang struktur atom, golongan dan sifat unsur di Bab 3 tentang tabel periodik, dan ion poliatom serta ikatan ion di Bab 4 tentang ikatan kimia. Perhitungan jumlah zat dari persamaan reaksi dibahas di Bab 7 tentang mol dan stoikiometri, dan jenis-jenis reaksi dalam air di Bab 9 tentang jenis reaksi dalam air. Lembar data keselamatan dan identitas bahan dibahas di Bab 10 tentang SDS, kelas fungsi, dan batas perbandingan produk.

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 (chemical formula) adalah tulisan yang menyatakan unsur penyusun suatu zat dan perbandingan jumlah atomnya. Indeks (subscript) adalah angka kecil di kanan bawah lambang yang 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. Hidrat (hydrate) adalah kristal yang mengikat molekul air; molekul air itu 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 (molecular formula) adalah rumus yang menyatakan jumlah atom sebenarnya dalam satu molekul. Rumus empiris (empirical formula) adalah rumus yang 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. 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. Cara hitungnya dibahas di Bab 7 tentang 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. Satuan rumus (formula unit) adalah satuan terkecil senyawa ion menurut rumusnya, misalnya satu Na⁺ dan satu Cl⁻ untuk NaCl.

Rumus struktur (structural formula) adalah rumus yang 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 5 tentang gaya antarmolekul, yang sama-sama C₂H₆O.

Ion yang umum dan muatannya

Senyawa ion terdiri atas kation dan anion yang muatannya saling meniadakan. Kation (cation) adalah ion bermuatan positif, dan anion (anion) adalah ion bermuatan negatif. 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 3 tentang 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 (polyatomic ion) adalah ion yang tersusun atas beberapa atom, seperti sulfat dan karbonat. Ion poliatom berperilaku sebagai satu kesatuan, dan atom-atom di dalamnya terikat secara kovalen, seperti dibahas di Bab 4 tentang ikatan kimia.

Tata nama senyawa

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. Besi yang bereaksi dengan asam klorida, misalnya, menghasilkan besi(II) klorida dan gas hidrogen. FeCl₂ adalah besi(II) klorida, karena dua klorida bermuatan $-1$ memerlukan besi bermuatan +2, sedangkan FeCl₃ besi(III) klorida. Dalam bahasa Melayu ion yang sama disebut ferum(III), dan dalam bahasa Inggris 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. Silikon tetraklorida, SiCl₄, misalnya, 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. Bab ini hanya memakai beberapa nama organik yang sudah umum: metana, propana, etanol, asam asetat, asam sitrat. Tata nama organik dibahas di Bab 20 tentang kimia organik untuk teknisi.

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 tentang larutan dan pH dan di Bab 9 tentang jenis reaksi dalam air.

Nama dagang, nama umum, dan nama sistematis

Di lapangan, bahan kimia jarang disebut dengan nama sistematis, yaitu nama yang disusun menurut aturan tata nama di atas. 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 tentang SDS membahas cara membaca lembar data itu.

Persamaan reaksi

Persamaan reaksi (chemical equation) adalah tulisan yang menyatakan zat yang bereaksi (pereaksi, reactant) di sebelah kiri, zat yang terbentuk (hasil reaksi, product) di sebelah kanan, dan anak panah di antaranya:

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

Koefisien (coefficient) adalah angka di depan rumus. Koefisien menyatakan perbandingan jumlah partikel, dan juga perbandingan jumlah mol. Persamaan pembentukan karat besi, misalnya, dibaca dengan cara itu: 4 mol Fe bereaksi dengan 3 mol O₂ menghasilkan 2 mol Fe₂O₃. Pada persamaan pengendapan barium sulfat, 1 mol BaSO₄ sebanding dengan 1 mol Na₂SO₄. Perbandingan itu dipakai untuk menghitung jumlah bahan di Bab 7 tentang mol dan stoikiometri.

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 setara (balanced equation) adalah persamaan yang memenuhi syarat itu.

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.

Cara ini dipakai pada pembakaran hidrokarbon: jumlah atom karbon disetarakan dengan mengubah koefisien CO₂, misalnya dari 1 menjadi 4. Contoh 2 dan 3 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:

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

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 penonton (spectator ion) adalah ion yang tidak ikut berubah itu, dan ion itu dicoret. Yang tersisa adalah persamaan ion bersih (net ionic equation):

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

Persamaan ion bersih harus setara dalam jumlah atom dan juga dalam muatan. Pemeriksaan akhirnya: persamaan harus setara baik untuk massa maupun untuk muatan. Di sisi kiri muatan totalnya $+2 - 2 = 0$, dan di sisi kanan 0.

Contoh kerja

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

Contoh 1: 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 2: 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 3: 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 4: 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 tentang larutan dan pH:

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

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

Contoh 5: 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 6: 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 tentang pemutih dan campuran berbahaya.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan laporkan kepada penyelia 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; cara membaca lembar data itu ada di Bab 10 tentang SDS.
2. Dua bahan akan dicampur, dan persamaan reaksinya menghasilkan gas beracun, seperti klorin dari pemutih klorin dan asam. Ikuti Bab 8 · Laundry tentang pemutih dan campuran berbahaya dan Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, dan kondisi berhenti.
3. Pembersih kerak asam akan dipakai pada peralatan tertutup tanpa jalan keluar bagi gas karbon dioksida yang terbentuk.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 2 tentang struktur atom, Bab 3 tentang tabel periodik, dan Bab 4 tentang ikatan kimia memberi dasar muatan ion dan ion poliatom. Bab 5 tentang gaya antarmolekul menunjukkan pentingnya rumus struktur. Bab 8 tentang larutan, konsentrasi, dan pH membahas asam, basa, dan ion hidronium dalam larutan. Bab 10 tentang SDS membahas lembar data keselamatan dan identitas bahan, Bab 8 · Laundry tentang pemutih dan campuran berbahaya membahas campuran pemutih yang berbahaya, dan Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, dan kondisi berhenti membahas penghentian kerja ketika bahaya muncul. Bab 7 tentang mol dan stoikiometri memakai koefisien persamaan untuk menghitung jumlah zat, Bab 9 tentang jenis reaksi dalam air memakai persamaan ion bersih, dan Bab 20 tentang kimia organik untuk teknisi membahas tata nama organik.

Latihan dan pembahasan

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