Massa Atom Relatif, Massa Molekul Relatif, dan Mol

Dalam tulisan ini, kita akan mempelajari cara menyatakan massa sebuah atom dan molekul, serta mempelajari hubungan antara massa zat dengan jumlah partikel yang dimilikinya melalui pendekatan konsep mol.

Massa sebuah atom bergantung pada jumlah elektron, proton, dan neutron yang dimilikinya. Atom adalah partikel yang sangat kecil, sehingga kita tidak dapat menimbang massa sebuah atom tunggal. Akan tetapi, kita dapat menentukan massa suatu atom dengan membandingkannya terhadap atom lain. Dengan demikian, dibutuhkan suatu unsur yang dapat dijadikan sebagai standar pembanding.

Massa atom didefinisikan sebagai massa suatu atom dalam satuan atomic mass unit (amu) atau satuan massa atom (sma). Satu amu didefinisikan sebagai 1/12 kali massa satu atom C-12. Karbon-12 adalah salah satu isotop karbon yang memiliki 6 proton dan 6 neutron. Unsur ini dijadikan sebagai standar pembanding sebab unsur ini memiliki sifat yang sangat stabil dengan waktu paruh yang panjang. Dengan menetapkan massa atom C-12 sebesar 12 sma, kita dapat menentukan massa atom unsur lainnya. Sebagai contoh, diketahui bahwa satu atom hidrogen hanya memiliki massa 8,4% dari massa satu atom C-12. Dengan demikian,  massa satu atom hidrogen adalah sebesar 8,4% x 12 sma atau 1,008 sma. Dengan perhitungan serupa, dapat diperoleh massa satu atom oksigen adalah 16,00 sma dan massa satu atom besi adalah 55,85 sma.  Hal ini berarti bahwa satu atom besi memiliki massa hampir 56 kali massa satu atom hidrogen.

Massa atom relatif (Ar) suatu unsur X dapat diperoleh melalui persamaan berikut:

Ar X = massa satu atom unsur X / (1/12) x massa satu atom C-12

Selain menghitung massa atom relatif (Ar) suatu unsur, kita dapat juga menentukan massa molekul relatif (Mr) suatu senyawa.  Massa molekul relatif (Mr) suatu senyawa dapat diperoleh melalui persamaan berikut:

Mr X = massa 1 molekul senyawa X / (1/12) x massa satu atom C-12

Bobot (massa) setiap atom dapat ditemukan dalam tabel periodik, sehingga massa suatu molekul dapat diperoleh dengan cara menambahkan massa setiap atom di dalam senyawa tersebut.  Sebagai contoh, air, H₂O, tersusun atas dua atom hidrogen dan satu atom oksigen. Dengan melihat pada tabel periodik, kita dapat melihat bahwa massa satu atom hidrogen sama dengan 1,008 sma dan massa satu atom oksigen adalah 16,00 sma. Dengan demikian, massa satu molekul air dapat diperoleh dengan menjumlahkan massa dua atom hidrogen dan massa satu atom oksigen.

Mr H₂O = 2 x Ar H + 1 x Ar O = 2 x 1,008 + 1 x 16,00 = 18,016 sma

Contoh lain, pada tabel periodik, kita dapat melihat bahwa massa satu atom tembaga adalah 63,55 sma dan massa satu atom belerang adalah 32,07 sma. Sementara massa satu atom oksigen adalah 16,00 sma, sementara massa satu atom hidrogen adalah 1,008 sma. Dengan demikian, massa satu molekul CuSO₄.5H₂O adalah sebagai berikut:

Mr CuSO₄.5H₂O = 1 x Ar Cu + 1 x Ar S + 4 x Ar O + 5 x Mr H₂O

= 1 x Ar Cu + 1 x Ar S + 4 x Ar O + 5 x (2 x Ar H + 1 X Ar O)

= 1 x 63,55 + 1 x 32,07 + 4 x 16,00 + 5 x (2 x 1,008 + 1 x 16,00)

= 249,700 sma

Saat kita melihat massa atom relatif karbon pada tabel periodik, ternyata massa atom relatif karbon tidak tepat 12,00 sma, melainkan 12,01 sma. Perbedaan ini disebabkan oleh kehadiran unsur karbon di alam dalam berbagai bentuk isotop.  Hal ini berarti, massa atom suatu unsur harus dinyatakan dalam bentuk nilai rata-ratanya.

Sebagai contoh, kelimpahan karbon-12  dan karbon-13 di alam masing-masing sebesar 98,90% dan 1,10%. Massa atom relatif unsur C-13 adalah 13,00335 sma. Dengan demikian, massa atom relatif rata-rata atom karbon adalah 98,90% x 12,00 sma +  1,10% x 13,00335 sma = 12,01 sma. Dengan demikian, massa atom relatif atom karbon adalah 12,01 sma. Nilai rata-rata inilah yang ditampilkan sebagai massa atom relatif unsur pada tabel periodik.

Contoh lain, unsur tembaga di alam berada dalam dua bentuk isotop, yaitu Cu-63 dan Cu-65. Kelimpahan masing-masing di alam adalah sebesar 69,09% untuk Cu-63 dan 30,91% untuk Cu-65. Massa atom relatif masing-masing isotop adalah 62,93 sma (Cu-63) dan 64,9278 sma (Cu-65). Massa atom relatif rata-rata atom tembaga adalah 69,09% x 62,93 sma + 30,91% x 64,9278 sma = 63,55 sma. Dengan demikian, massa atom relatif atom tembaga pada tabel periodik adalah 63,55 sma.

Ketika para kimiawan berhubungan dengan atom dan molekul, mereka memerlukan satuan yang sesuai yang dapat digunakan untuk ukuran atom dan molekul yang sangat kecil. Satuan ini disebut mol. Dalam sistem SI, mol adalah kuantitas yang digunakan untuk menunjukkan bahwa suatu zat  memiliki jumlah atom, molekul, maupun ion, yang sama dengan jumlah atom yang dimiliki oleh 12 gram isotop karbon-12.  Jumlah atom yang dimiliki oleh 12 gram isotop karbon-12 ditentukan melalui suatu eksperimen dan bilangan ini dikenal dengan istilah Bilangan Avogadro (N_A). Nilai yang diterima saat ini sebagai Bilangan Avogadro adalah sebagai berikut:

N_A = 6,0221367 x 10²³ (biasanya dibulatkan menjadi 6,022 x 10²³)

Hal ini berarti bahwa setiap 1 mol zat apapun, baik atom, molekul, maupun ion, akan memiliki 6,022 x 10²³ atom, molekul, maupun ion.

Sebelumnya, kita telah mengetahui bahwa satu mol isotop C-12 memiliki massa sebesar 12 gram serta 6,022 x 10²³ atom C-12. Massa yang dimiliki oleh satu mol zat disebut massa molar (massa molekul relatif atau Mr untuk senyawa; massa atom relatif atau Ar untuk unsur). Dapat dicermati bahwa massa molar (Ar) isotop C-12 sama dengan massa atom relatifnya dalam satuan sma. Dengan demikian, massa atom relatif suatu unsur  (dalam satuan sma) mewakili massa satu mol unsur bersangkutan (dalam satuan gram).

Sebagai contoh, massa atom relatif unsur Na adalah 22,99 sma. Ini berarti, massa satu mol unsur Na adalah 22,99 gram. Di dalam 22,99 gram unsur Na terdapat 6,022 x 10²³ atom Na. Bila kita memiliki unsur Na sebanyak 114,95 gram, maka akan setara dengan 114,95 gram/ 22,99 (gram/mol) atau 5 mol unsur Na. Dengan demikian, jumlah atom yang dimiliki oleh 114,95 gram unsur Na (setara dengan 5 mol unsur Na) adalah 5 x 6,022 x 10²³ atom Na.

Dengan mengetahui massa molar dan Bilangan Avogadro, kita dapat menghitung massa satu atom dalam satuan gram. Sebagai contoh, telah kita ketahui bersama bahwa massa molar C-12 adalah 12,00 gram dan terdapat 6,022 x 10²³ atom C-12 dalam satu mol unsur tersebut. Dengan demikian, massa satu atom C-12 adalah sebagai berikut:

12,00 gram atom C-12 / 6,022 x 10²³ atom C-12 = 1,993 x 10^-23 gram

Telah diketahui pula bahwa massa satu atom C-12 adalah sebesar 12 sma. Dengan demikian, hubungan antara sma dan gram dapat diperoleh melalui cara berikut:

12 sma = 1,993 x 10^-23 gram

1 sma = 1,661 x 10^-24 gram

1 gram = 6,022 x 10²³ sma

Hubungan antara massa, massa molar (Ar maupun Mr), dan jumlah partikel zat, dapat ditunjukkan melalui beberapa persamaan berikut:

mol = massa unsur / Ar unsur

mol = massa senyawa / Mr senyawa

mol = jumlah partikel / Bilangan Avogadro

Dengan mengetahui massa atom relatif (Ar) unsur-unsur penyusun senyawa, kita dapat menentukan massa molekul relatif (Mr)senyawa tersebut. Massa molar senyawa (dalam satuan gram) sama dengan massa molekul relatifnya (dalam satuan amu). Sebagai contoh, massa molekul relatif air sebesar 18,016 sma. Dengan demikian, massa molar air adalah 18,016 gram. Hal ini berarti, massa satu mol molekul air adalah sebesar 18,016 gram dan terdapat 6,022 x 10²³ molekul air. Bila kita memiliki 54,048 gram air, maka akan setara dengan 54,048 gram / 18,016 (gram/mol) atau 3 mol molekul air. Jumlah molekul yang dimiliki oleh 3 mol molekul air adalah 3 x 6,022 x 10²³ molekul air.