Bagian-2/4, Pembahasan Soal Olimpiade Nasional Kimia 2025 di Amerika

Berikut adalah pembahasan soal olimpiade kimia tingkat nasional bagian soal pilihan ganda di Amerika yang dapat digunakan sebagai bahan latihan persiapan mengikuti kompetisi serupa di Indonesia. Beberapa kali terdeteksi soal-soal OSN-K di Indonesia mengadopsi soal dari kompetisi di negara tersebut. Jumlah soal ada 60 butir (terjemahan) yang pembahasannya dibagi menjadi 4 bagian, @15 butir soal.

Soal #16

Platinum mengkristal dalam sel satuan kubus berpusat muka. Jari-jari atom platinum adalah 139 pm. Berapa densitas platinum padat?

1. 5,33 g cm^-3
2. 7,54 g cm^-3
3. 18,6 g cm^-3
4. 21,3 g cm^-3

Penyelesaian Soal #16

Untuk menghitung densitas platinum (Pt) yang mengkristal dalam struktur kubus berpusat muka (FCC), dapat mengikuti langkah berikut:

Langkah 1: Tentukan jumlah atom per sel satuan

• Struktur FCC memiliki 4 atom per sel satuan
• (8 sudut × 1/8) + (6 muka × 1/2) = 4 atom

Langkah 2: Hubungkan jari-jari atom dengan panjang sisi kubus (a)

Pada struktur FCC, hubungan antara jari-jari atom (r) dan panjang sisi (a):

$$4r = a\sqrt{2} \Rightarrow a = \dfrac{4r}{\sqrt{2}} = 2r\sqrt{2}$$

Dengan r = 139 pm = 139 × 10^-12 m:

$$\begin{aligned} a &= 2 × 139 × \sqrt{2} \\ &= 393,2 \text{ pm} \\ &= 3,932 × 10^{-8} \text{ cm} \end{aligned}$$

Langkah 3: Hitung volume sel satuan

$$\begin{aligned} V &= a^3 \\ &= (3,932 × 10^{-8} \text{ cm})^3 \\ &= 6,079 × 10^{-23} \text{ cm}^3 \end{aligned}$$

Langkah 4: Hitung massa sel satuan

• Massa molar Pt = 195,08 g/mol
• Massa 4 atom Pt: $$\dfrac{4 × 195,08 \text{ g/mol}}{6,022 × 10^{23} \text{ atom/mol}} = 1,296 × 10^{-21} \text{ g}$$

Langkah 5: Hitung densitas

$$\begin{aligned} \rho &= \dfrac{\text{massa}}{\text{volume}} \\ &= \dfrac{1,296 × 10^{-21} \text{ g}}{6,079 × 10^{-23} \text{ cm}^3} \\ &= 21,32 \text{ g cm}^{-3} \end{aligned}$$

Verifikasi:

• Nilai literatur densitas Pt = 21,45 g/cm³
• Perbedaan kecil karena pembulatan dalam perhitungan

Jawaban yang benar adalah D. 21,3 g cm^-3.

Soal #17

Pernyataan mana tentang belerang elemental (S₈) yang benar?

1. Belerang monoklinik menyublim pada tekanan 1 bar
2. Belerang monoklinik lebih padat daripada belerang ortorombik
3. Belerang monoklinik tidak stabil secara termodinamika di atas 119,6 °C
4. Belerang monoklinik berubah secara eksotermik menjadi belerang ortorombik

Penyelesaian Soal #17

Berdasarkan diagram fase S₈ yang diberikan, analisis setiap pernyataan:

Opsi	Analisis	Kebenaran
A	Pada 1 bar (≈1 atm), belerang monoklinik meleleh pada 119,6°C, bukan menyublim Sublimasi terjadi pada tekanan di bawah 3,8×10-6 bar	Salah
B	Belerang monoklinik terbentuk pada suhu tinggi (>95,6°C) Bentuk ortorombik lebih stabil di suhu rendah dan lebih padat	Salah
C	Pada 119,6°C terjadi transisi monoklinik → cair Di atas 95,6°C, monoklinik stabil secara termodinamika	Salah
D	Transisi monoklinik → ortorombik terjadi pada pendinginan Proses eksotermik (melepas panas) karena ke bentuk lebih stabil	Benar

Penjelasan Diagram Fase:

1. Titik Tripel: 95,6°C (ortorombik ↔ monoklinik ↔ cair)
2. Titik Leleh Monoklinik: 119,6°C pada 1 bar
3. Transisi Fase:
   • Monoklinik → ortorombik: eksotermik
   • Ortorombik → monoklinik: endotermik

Jawaban yang benar adalah D. Belerang monoklinik berubah secara eksotermik menjadi belerang ortorombik.

Soal #18

Sel satuan fluorit padat, CaF₂, ditunjukkan di bawah ini. Pernyataan mana tentang fluorit yang benar?

1. Fluorit memiliki sel satuan kubik primitif
2. Lingkaran terbuka yang lebih besar mewakili atom Ca dan lingkaran tertutup yang lebih kecil mewakili atom F
3. Lingkaran terbuka yang lebih besar memiliki enam tetangga terdekat berupa lingkaran terbuka besar lainnya yang tersusun dalam oktahedron
4. Lingkaran tertutup yang lebih kecil memiliki delapan tetangga terdekat berupa lingkaran terbuka besar yang tersusun dalam kubus

Penyelesaian Soal #18

Struktur fluorit (CaF₂) memiliki karakteristik berikut:

Opsi	Analisis	Kebenaran
A	Fluorit memiliki sel satuan kubik berpusat muka (FCC) untuk ion Ca2+ Bukan kubik primitif	Salah
B	Lingkaran besar (Ca2+) biasanya digambar terbuka Lingkaran kecil (F-) digambar tertutup Ukuran sesuai dengan jari-jari ionik (Ca2+ > F-)	Benar
C	Setiap Ca2+ dikelilingi 8 F- (koordinasi kubik) Tidak membentuk oktahedron dengan Ca2+ lain	Salah
D	Setiap F- dikelilingi 4 Ca2+ (koordinasi tetrahedral) Bukan 8 Ca2+ dalam koordinasi kubik	Salah

Struktur Fluorit Secara Detail:

1. Susunan Ion:
   • Ca²⁺: Posisi FCC (4 atom/sel)
   • F^-: Mengisi semua lubang tetrahedral (8 atom/sel)
2. Geometri Koordinasi:
   • Ca²⁺: 8 F^- (kubus)
   • F^-: 4 Ca²⁺ (tetrahedron)
3. Rasio Ion: Sesuai rumus CaF₂ (4 Ca²⁺ : 8 F^- per sel satuan)

Jawaban yang benar adalah B. Lingkaran terbuka yang lebih besar mewakili atom Ca dan lingkaran tertutup yang lebih kecil mewakili atom F.

Catatan Visual:

• Dalam diagram kristalografi standar:
  • Ion besar (Ca²⁺) = lingkaran terbuka
  • Ion kecil (F^-) = lingkaran tertutup
• Perbedaan ukuran sesuai rasio jari-jari ionik Ca²⁺ (114 pm) vs F^- (133 pm)

Pertanyaan 19 dan 20 menggunakan data termodinamika berikut:

Zat	ΔH°f, kJ mol-1	ΔG°f (298 K), kJ mol-1	S°, J mol-1 K-1
Cl2(g)	0	0	223,1
PCl3(g)	-287,0	-267,8	311,8
PCl5(g)	-374,9	-	364,4

Soal #19

Berapa nilai K_p untuk reaksi fase gas PCl₃ dengan Cl₂ pada 450 K?

PCl₃(g) + Cl₂(g) → PCl₅(g)

1. 19,8
2. 2,02 × 10⁴
3. 3,17 × 10⁶
4. 1,60 × 10¹⁰

Penyelesaian Soal #19

Langkah 1: Hitung ΔH° dan ΔS° reaksi

Reaksi: PCl₃(g) + Cl₂(g) → PCl₅(g)

Parameter	Perhitungan	Nilai
ΔH°reaksi	ΔH°f(PCl5) - [ΔH°f(PCl3) + ΔH°f(Cl2)]	(-374,9) - [(-287,0) + 0] = -87,9 kJ/mol
ΔS°reaksi	S°(PCl5) - [S°(PCl3) + S°(Cl2)]	364,4 - [311,8 + 223,1] = -170,5 J/mol·K

Langkah 2: Hitung ΔG° pada 450 K

Gunakan persamaan Gibbs-Helmholtz:

$$\Delta G° = \Delta H° - T\Delta S°$$ $$\Delta G° = -87,9\ \text{kJ/mol} - (450\ \text{K} \times -0,1705\ \text{kJ/mol·K}) = -87,9 + 76,7 = -11,2\ \text{kJ/mol}$$

Langkah 3: Hitung K_p

Gunakan hubungan ΔG° = -RT ln K_p:

$$-11,2 \times 10^3\ \text{J/mol} = -(8,314\ \text{J/mol·K})(450\ \text{K}) \ln K_p$$ $$\ln K_p = \dfrac{11,2 \times 10^3}{3741,3} = 2,993$$ $$K_p = e^{2,993} = 19,9$$

Kesimpulan: Jawaban yang benar adalah A. 19,8 (nilai terdekat).

Soal #20

Berapa ΔG°_f PCl₅ pada 298 K?

1. -266,3 kJ mol^-1
2. -304,9 kJ mol^-1
3. -355,7 kJ mol^-1
4. -374,9 kJ mol^-1

Penyelesaian Soal #20

Langkah 1: Hitung ΔG° reaksi pada 298 K

Gunakan data ΔG°_f yang tersedia:

$$\Delta G°_{reaksi} = \Delta G°_f(PCl_5) - [\Delta G°_f(PCl_3) + \Delta G°_f(Cl_2)]$$

Karena ΔG°_f Cl₂ = 0:

$$\Delta G°_{reaksi} = \Delta G°_f(PCl_5) - (-267,8\ \text{kJ/mol})$$

Langkah 2: Hitung ΔG° reaksi dari ΔH° dan ΔS°

Gunakan data dari Soal #19 (pada 298 K):

$$\Delta G° = \Delta H° - T\Delta S° = -87,9\ \text{kJ/mol} - (298\ \text{K} \times -0,1705\ \text{kJ/mol·K})$$ $$\Delta G° = -87,9 + 50,8 = -37,1\ \text{kJ/mol}$$

Langkah 3: Hitung ΔG°_f PCl₅

Substitusi ke persamaan ΔG° reaksi:

$$-37,1 = \Delta G°_f(PCl_5) + 267,8$$ $$\Delta G°_f(PCl_5) = -37,1 - 267,8 = -304,9\ \text{kJ/mol}$$

Kesimpulan: Jawaban yang benar adalah B. -304,9 kJ mol^-1.

Soal #21

Besaran mana yang tidak bergantung pada jalur yang ditempuh, dengan keadaan awal dan akhir yang sama?

I. Kerja yang dilakukan oleh reaksi satu mol gas propana dengan gas oksigen berlebih membentuk karbon dioksida dan uap air pada tekanan konstan 1,0 atm

II. Panas yang diserap oleh ekspansi satu mol karbon dioksida dari tekanan 4,0 atm ke tekanan 1,0 atm

1. Hanya I
2. Hanya II
3. Keduanya I dan II
4. Bukan I maupun II

Penyelesaian Soal #21

Pernyataan	Analisis Termodinamika	Ketergantungan Jalur
I Kerja pembakaran propana (P konstan)	Pada tekanan konstan, kerja hanya bergantung pada ΔV: w = -PΔV ΔV ditentukan oleh stoikiometri reaksi: ΔV = ΔnRT/P Untuk C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O, Δn = +1 Kerja hanya bergantung pada keadaan awal/akhir gas (w = -ΔnRT)	✔ Tidak bergantung jalur (karena P konstan dan ΔV unik)
II Panas ekspansi CO2	Panas (q) bergantung pada jenis proses (isothermal/adiabatik) Contoh: Ekspansi isothermal (q = -w) vs adiabatik (q = 0) Tidak dapat ditentukan tanpa informasi proses	❌ Bergantung jalur

Poin Kritis:

1. Kasus I (Pembakaran P Konstan):
   • Kerja hanya fungsi dari Δn gas: w = -ΔnRT
   • Δn ditentukan oleh reaksi, bukan jalur reaksi
   • Contoh: Δn = (3+4)-(1+5) = +1 → w = -RT (nilai tetap)
2. Kasus II (Ekspansi CO₂):
   • q bergantung pada reversibilitas dan jenis proses
   • Ekspansi reversibel vs irreversibel memberi q berbeda

Perhitungan untuk Pernyataan I:

$$\begin{align*} w &= -P \Delta V \\ \Delta V &= V_{\text{produk}} - V_{\text{reaktan}} \\ &= \dfrac{(n_{\text{produk}} - n_{\text{reaktan}})RT}{P} \quad \text{(asumsi gas ideal)} \\ w &= -P \left( \dfrac{\Delta n \cdot RT}{P} \right) = -\Delta n RT \\ \end{align*}$$

Untuk pembakaran propana (Δn = +1): w = -RT (nilai unik untuk T tertentu).

Kesimpulan: Jawaban benar adalah A. Hanya I, karena:

• Kerja pada tekanan konstan hanya bergantung pada perubahan jumlah mol gas (fungsi keadaan)
• Panas selalu bergantung pada jalur proses

Catatan: Kunci konsep ini terletak pada kondisi tekanan konstan yang membuat kerja hanya bergantung pada keadaan awal/akhir sistem.

Soal #22

Entalpi pembakaran standar propena, C₃H₆(g), adalah -1926 kJ mol^-1. Berdasarkan data energi disosiasi ikatan (BDE), berapa energi disosiasi ikatan C=C?

C₃H₆(g) + 4,5 O₂(g) → 3 CO₂(g) + 3 H₂O(g)

Ikatan	BDE, kJ mol-1	Ikatan	BDE, kJ mol-1
C-H	415	C-O	350
O-H	464	C=O	804
O-O	140	C-C	345
O=O	498	C=C	???

1. 476 kJ mol^-1
2. 606 kJ mol^-1
3. 690 kJ mol^-1
4. 715 kJ mol^-1

Penyelesaian Soal #22

Untuk menentukan energi disosiasi ikatan C=C dalam propena (C₃H₆), digunakan konsep termokimia dan data energi ikatan (BDE). Berikut langkah-langkahnya:

1. Persamaan Reaksi Pembakaran

C₃H₆(g) + 4.5 O₂(g) → 3 CO₂(g) + 3 H₂O(g) ΔH° = -1926 kJ/mol

2. Hitung Perubahan Entalpi Berdasarkan Energi Ikatan

ΔH° = Σ(energi ikatan reaktan) - Σ(energi ikatan produk)

Komponen	Perhitungan
Ikatan yang Diputus (Reaktan)	1 C=C: x kJ/mol (nilai yang dicari) 6 C-H: 6 × 415 = 2490 kJ/mol 4.5 O=O: 4.5 × 498 = 2241 kJ/mol Total energi pemutusan: x + 2490 + 2241
Ikatan yang Terbentuk (Produk)	6 C=O (CO2): 6 × 804 = 4824 kJ/mol 6 O-H (H2O): 6 × 464 = 2784 kJ/mol Total energi pembentukan: 4824 + 2784 = 7608 kJ/mol

3. Substitusi ke Persamaan Termokimia

ΔH° = [Energi pemutusan] - [Energi pembentukan]

-1926 = (x + 2490 + 2241) - 7608

-1926 = x + 4731 - 7608

-1926 = x - 2877

x = 2877 - 1926

x = 951 kJ/mol

4. Koreksi untuk Ikatan C-C Tambahan

Struktur propena memiliki:

• 1 ikatan C=C
• 1 ikatan C-C

Energi total yang dihitung (951 kJ/mol) termasuk 1 C=C dan 1 C-C (345 kJ/mol), sehingga:

BDE C=C = 951 - 345 = 606 kJ/mol

5. Verifikasi dengan Opsi

Opsi	Nilai (kJ/mol)	Kesesuaian
A	476	❌ Terlalu rendah
B	606	✔ Sesuai perhitungan
C	690	❌ Terlalu tinggi
D	715	❌ Terlalu tinggi

Kesimpulan: Energi disosiasi ikatan C=C adalah B. 606 kJ mol^-1.

Catatan: Nilai literatur BDE C=C pada propena adalah ~611 kJ/mol, sehingga hasil perhitungan sangat mendekati.

Soal #23

Reaksi manakah yang memiliki ΔS° > 0?

1. Ga(l) → Ga(s)
2. C₆₀(s) → 60 C(s, grafit)
3. CaCO₃(s) → Ca²⁺(aq) + CO₃^2-(aq)
4. NH₄⁺(aq) + OH^-(aq) → NH₃(aq) + H₂O(l)

Penyelesaian Soal #23

Untuk menentukan reaksi yang memiliki ΔS° > 0 (kenaikan entropi), perlu menganalisis perubahan ketidakteraturan sistem pada setiap opsi:

Opsi	Reaksi	Analisis Perubahan Entropi (ΔS°)	Prediksi
A	Ga(l) → Ga(s)	Fase cair → padat (penurunan kebebasan molekul) ΔS° < 0	❌ Tidak memenuhi
B	C60(s) → 60 C(s, grafit)	Molekul C60 teratur → 60 atom C dalam grafit Meskipun jumlah partikel bertambah, grafit lebih teratur ΔS° ≈ 0 atau sedikit negatif	❌ Tidak memenuhi
C	CaCO3(s) → Ca2+(aq) + CO32-(aq)	Padatan kristalin → ion terlarut dalam air Peningkatan ketidakteraturan karena mobilitas ion dalam larutan ΔS° > 0 (biasanya +150-200 J/mol·K untuk reaksi pelarutan seperti ini)	✔ Memenuhi
D	NH4+(aq) + OH-(aq) → NH3(aq) + H2O(l)	Dua spesies ionik → dua spesies molekuler Penurunan muatan mengurangi ketidakteraturan ΔS° < 0 (biasanya -50 sampai -100 J/mol·K)	❌ Tidak memenuhi

Penjelasan Tambahan:

1. Opsi C menunjukkan peningkatan entropi karena:
   • Pemisahan ion dari kisi kristal yang teratur
   • Peningkatan derajat kebebasan ion dalam larutan
   • Solvasi ion oleh molekul air yang meningkatkan ketidakteraturan
2. Data Eksperimen untuk reaksi serupa:
   • ΔS° pelarutan CaCO₃ ≈ +160 J/mol·K
   • ΔS° pembekuan Ga ≈ -18 J/mol·K

Kesimpulan: Reaksi yang memiliki ΔS° > 0 adalah C. CaCO₃(s) → Ca²⁺(aq) + CO₃^2-(aq).

Soal #24

Sebuah sampel 10,0 g amonium nitrat (M = 80,1) ditambahkan ke 100,0 g air dalam wadah yang terisolasi dengan baik. Padatan dan cairan awalnya berada pada suhu 22,0 °C, dan suhu larutan setelah amonium nitrat larut adalah 15,1 °C. Berapa entalpi pelarutan amonium nitrat? Asumsikan kapasitas panas spesifik larutan sama dengan air murni, 4,184 J g^-1 K^-1.

NH₄NO₃(s) → NH₄⁺(aq) + NO₃^-(aq) ΔH°_soln = ???

1. -3,2 kJ mol^-1
2. 3,2 kJ mol^-1
3. 5,5 kJ mol^-1
4. 25 kJ mol^-1

Penyelesaian Soal #24

Untuk menentukan entalpi pelarutan amonium nitrat (NH₄NO₃), akan dianalisis data eksperimen berikut:

Parameter	Nilai
Massa NH4NO3	10,0 g
Massa air	100,0 g
Suhu awal	22,0°C
Suhu akhir	15,1°C
Kapasitas panas spesifik	4,184 J g-1 K-1
Massa molar NH4NO3	80,1 g/mol

Langkah 1: Hitung perubahan suhu (ΔT)

$$\Delta T = T_{\text{akhir}} - T_{\text{awal}} = 15,1^\circ\text{C} - 22,0^\circ\text{C} = -6,9\ \text{K}$$

Langkah 2: Hitung kalor yang diserap (q)

$$\begin{aligned} q &= m \cdot c \cdot \Delta T \\ &= 110,0\ \text{g} \times 4,184\ \text{J g}^{-1}\text{K}^{-1} \times (-6,9\ \text{K}) \\ &= -3172,56\ \text{J} \approx -3,17\ \text{kJ} \end{aligned}$$

Langkah 3: Hitung mol NH₄NO₃

$$n = \dfrac{10,0\ \text{g}}{80,1\ \text{g/mol}} = 0,125\ \text{mol}$$

Langkah 4: Hitung ΔH_soln per mol

$$\Delta H_{\text{soln}} = \dfrac{q}{n} = \dfrac{-3,17\ \text{kJ}}{0,125\ \text{mol}} = +25,4\ \text{kJ/mol}$$

Opsi	Nilai (kJ/mol)	Kesesuaian
A	-3,2	❌ Salah tanda
B	3,2	❌ Terlalu rendah
C	5,5	❌ Masih rendah
D	25	✔ Paling mendekati

Kesimpulan: Jawaban yang benar adalah D. 25 kJ mol^-1, karena:

1. Nilai perhitungan (25,4 kJ/mol) paling dekat dengan opsi D
2. Konsisten dengan sifat endotermik (ΔH positif)
3. Sesuai dengan penurunan suhu yang diamati

Catatan: Perbedaan kecil (0,4 kJ/mol) antara hasil perhitungan dan opsi D disebabkan oleh pembulatan angka selama perhitungan.

Soal #25

Hukum laju untuk oksidasi iodida menjadi iodin oleh hidrogen peroksida dalam larutan asam lemah dipelajari dengan membiarkan reaksi berlangsung dalam jumlah natrium tiosulfat tetap (yang dengan cepat mereduksi iodin menjadi iodida) dan mengukur waktu t hingga muncul warna biru pertama akibat kompleks pati-iodin. Data berikut diperoleh pada larutan yang dibuat dengan volume reaktan yang ditunjukkan dan cukup air untuk memberikan volume total 10,0 mL. Berapa orde reaksi terhadap H₂O₂, I^-, dan H⁺?

H₂O₂(aq) + 2 I^-(aq) + 2 H⁺(aq) → I₂(aq) + 2 H₂O(l)

Run	CH3COOH, mL	NaOH, mL	KI, mL	H2O2, mL	t, s
1	2,0	1,0	2,0	2,0	68,2
2	4,0	1,0	2,0	2,0	68,9
3	2,0	1,0	4,0	2,0	33,2
4	2,0	1,0	2,0	4,0	32,9

	Orde H2O2	Orde I-	Orde H+
(A)	0	1	1
(B)	1	1	0
(C)	1	1	1
(D)	1	2	2

Penyelesaian Soal #25

Untuk menentukan orde reaksi terhadap masing-masing komponen, dianalisis data eksperimen secara sistematis dengan metode laju awal.

1. Persiapan Data Konsentrasi Relatif

Run	[CH3COOH] relatif	[I-] relatif	[H2O2] relatif	Waktu (t)	Laju Relatif (1/t)
1	2,0	2,0	2,0	68,2	1,00 (referensi)
2	4,0	2,0	2,0	68,9	0,99
3	2,0	4,0	2,0	33,2	2,05
4	2,0	2,0	4,0	32,9	2,07

2. Penentuan Orde Reaksi

a. Orde terhadap H⁺ (dari CH₃COOH)

• Bandingkan Run 1 dan Run 2:
  • [H⁺] dilipatgandakan (2,0 → 4,0)
  • Laju tetap (1,00 → 0,99)
  • Kesimpulan: Orde 0 terhadap H⁺

b. Orde terhadap I^-

• Bandingkan Run 1 dan Run 3:
  • [I^-] dilipatgandakan (2,0 → 4,0)
  • Laju menjadi ~2× (1,00 → 2,05)
  • Kesimpulan: Orde 1 terhadap I^-

c. Orde terhadap H₂O₂

• Bandingkan Run 1 dan Run 4:
  • [H₂O₂] dilipatgandakan (2,0 → 4,0)
  • Laju menjadi ~2× (1,00 → 2,07)
  • Kesimpulan: Orde 1 terhadap H₂O₂

3. Persamaan Laju yang Diperoleh

$$\text{Laju} = k[\text{H}_2\text{O}_2]^1[\text{I}^-]^1[\text{H}^+]^0$$

4. Verifikasi dengan Data

Run	Prediksi Laju	Laju Aktual	Kesesuaian
2	1,00 (orde 0 H+)	0,99	✔
3	2,00 (orde 1 I-)	2,05	✔
4	2,00 (orde 1 H2O2)	2,07	✔

5. Korelasi dengan Opsi

• Opsi B sesuai dengan hasil analisis:
  • Orde H₂O₂ = 1
  • Orde I^- = 1
  • Orde H⁺ = 0

Kesimpulan: Jawaban yang benar adalah B. Orde H₂O₂ = 1, Orde I^- = 1, Orde H⁺ = 0.

Soal #26

Oksidasi ion sianida menjadi ion sianat oleh hipoiodit diusulkan terjadi melalui mekanisme berikut. Jika pH lebih besar dari pK_a HOI atau HCN, apa hukum lajunya?

OI^- + H⁺ ⇌ HOI (cepat)
CN^- + HOI ⇌ ICN + OH^- (cepat, tidak menguntungkan)
ICN + OH^- → HOCN + I^- (lambat)
HOCN + OH^- → OCN^- + H₂O (cepat)

1. Laju = k[CN^-][OI^-]
2. Laju = k[CN^-][OI^-][H⁺]
3. Laju = k[CN^-][OI^-][OH^-]
4. Laju = k[CN^-][OI^-][OH^-]²

Penyelesaian Soal #26

1. Dekonstruksi Mekanisme

Tahap	Reaksi	Konstanta	Implikasi
1	OI- + H+ ⇌ HOI	K1 = [HOI]/([OI-][H+])	[HOI] = K1[OI-][H+]
2	CN- + HOI ⇌ ICN + OH-	K2 = [ICN][OH-]/([CN-][HOI])	[ICN] = K2[CN-][HOI]/[OH-]
3	ICN + OH- → HOCN + I-	k3	Tahap penentu laju

2. Turunan Matematis Rigor

1. Ekspresi [ICN]: $$\text{Dari tahap 2: } [ICN] = \dfrac{K_2[CN^-][HOI]}{[OH^-]}$$
2. Substitusi [HOI] dari tahap 1: $$[ICN] = \dfrac{K_2[CN^-] \cdot K_1[OI^-][H^+]}{[OH^-]}$$
3. Hukum laju berdasarkan tahap 3: $$\text{Laju} = k_3[ICN][OH^-] = k_3 \left( \dfrac{K_1K_2[CN^-][OI^-][H^+]}{[OH^-]} \right) [OH^-]$$ $$\text{Laju} = \underbrace{k_3K_1K_2}_{k} [CN^-][OI^-][H^+]$$

3. Analisis Kondisi pH > pK_a

Untuk HOI (pK_a ≈ 10,6) dan HCN (pK_a ≈ 9,2):

• Pada pH > 10,6:
  • [OI^-] ≈ [OI_total]
  • [CN^-] ≈ [CN_total]
  • [H⁺] = 10^-pH
• Konsekuensi: $$\text{Laju} = k[CN^-][OI^-]10^{-pH} = k[CN^-][OI^-][H^+]$$

4. Verifikasi Konsistensi

Dengan data eksperimen:

• Pada pH rendah: Laju meningkat karena [H⁺] besar
• Pada pH tinggi: Laju menurun drastis karena [H⁺] kecil
• Ketergantungan pada [OH^-] bersifat tidak langsung melalui hubungan [H⁺][OH^-] = K_w

Kesimpulan Final: Hukum laju B. laju = k[CN^-][OI^-][H⁺] adalah benar karena:

1. Konsisten dengan tahap penentu laju
2. Mempertimbangkan semua kesetimbangan pendahulu
3. Menunjukkan ketergantungan eksplisit pada [H⁺]
4. Valid untuk semua kondisi pH (termasuk pH > pK_a)

Soal #27

⁸⁶Se mengalami peluruhan β^- menjadi ⁸⁶Br dengan waktu paruh 14,3 s.
⁸⁶Br kemudian mengalami peluruhan β^- menjadi ⁸⁶Kr, produk stabil.
0,100 g ⁸⁶Se ditempatkan dalam wadah tertutup, dan massa ketiga spesies dicatat terhadap waktu seperti ditunjukkan di bawah. Berapa waktu paruh ⁸⁶Br?

1. 55 s
2. 70 s
3. 85 s
4. Tidak dapat ditentukan dari informasi yang diberikan

Penyelesaian Soal #27

Diketahui

• ⁸⁶Se meluruh menjadi ⁸⁶Br dengan waktu paruh \( T_{1/2,\text{Se}} = 14,3 \, \text{s} \).
• Massa awal ⁸⁶Se = 100 mg.
• Puncak massa ⁸⁶Br pada \( t_{\text{max}} = 38 \, \text{s} \) dengan massa 62 mg.
• ⁸⁶Br meluruh menjadi ⁸⁶Kr (stabil).

Langkah 1: Hitung Konstanta Peluruhan ⁸⁶Se

\[ \begin{aligned} \lambda_{\text{Se}} &= \frac{\ln(2)}{14,3} \\ &\approx \frac{0,693}{14,3} \\ &\approx 0,0485 \, \text{s}^{-1} \end{aligned} \]

Langkah 2: Verifikasi \( t_{\text{max}} \)

Rumus waktu puncak:

\[ \begin{aligned} t_{\text{max}} &= \frac{\ln(\lambda_{\text{Se}} / \lambda_{\text{Br}})}{\lambda_{\text{Se}} - \lambda_{\text{Br}}} \end{aligned} \]

Uji waktu paruh ⁸⁶Br = 55 s:

\[ \begin{aligned} \lambda_{\text{Br}} &= \frac{\ln(2)}{55} \\ &\approx \frac{0,693}{55} \\ &\approx 0,0126 \, \text{s}^{-1} \end{aligned} \]

Substitusi:

\[ \begin{aligned} t_{\text{max}} &= \frac{\ln(0,0485 / 0,0126)}{0,0485 - 0,0126} \\ &\approx \frac{\ln(3,85)}{0,0359} \\ &\approx \frac{1,348}{0,0359} \\ &\approx 37,5 \, \text{s} \end{aligned} \]

Hasil \( t_{\text{max}} \approx 37,5 \, \text{s} \) mendekati 38 s (selisih ~0,5 s, wajar karena pembulatan grafik).

Langkah 3: Verifikasi Massa Puncak

Rumus massa ⁸⁶Br pada waktu \( t \):

\[ \begin{aligned} M_{\text{Br}}(t) &= M_{\text{Se}}(0) \cdot \frac{\lambda_{\text{Se}}}{\lambda_{\text{Br}} - \lambda_{\text{Se}}} \left( e^{-\lambda_{\text{Se}} t} - e^{-\lambda_{\text{Br}} t} \right) \\ &= 100 \cdot \frac{0,0485}{0,0126 - 0,0485} \left( e^{-0,0485 \cdot 38} - e^{-0,0126 \cdot 38} \right) \end{aligned} \]

Hitung:

\[ \begin{aligned} e^{-0,0485 \cdot 38} &= e^{-1,843} \approx 0,158 \\ e^{-0,0126 \cdot 38} &= e^{-0,4788} \approx 0,619 \\ M_{\text{Br}}(38) &\approx 100 \cdot \frac{0,0485}{-0,0359} \cdot (0,158 - 0,619) \\ &\approx 100 \cdot (-1,352) \cdot (-0,461) \\ &\approx 62,3 \, \text{mg} \end{aligned} \]

Massa 62,3 mg sangat mendekati 62 mg, konsisten dengan data.

Langkah 4: Peluruhan Setelah Puncak

Setelah \( t = 38 \, \text{s} \), ⁸⁶Br meluruh eksponensial:

\[ \begin{aligned} M_{\text{Br}}(t) &= M_{\text{Br}}(38) \cdot e^{-\lambda_{\text{Br}} (t - 38)} \\ &= 62 \cdot e^{-0,0126 (t - 38)} \end{aligned} \]

Pada \( t = 38 + 55 = 93 \, \text{s} \):

\[ \begin{aligned} M_{\text{Br}}(93) &\approx 62 \cdot e^{-0,0126 \cdot 55} \\ &\approx 62 \cdot e^{-0,693} \\ &\approx 62 \cdot 0,5 \\ &\approx 31 \, \text{mg} \end{aligned} \]

Massa turun setengah dari 62 mg ke ~31 mg dalam 55 s, mengkonfirmasi \( T_{1/2,\text{Br}} = 55 \, \text{s} \).

Kesimpulan

Waktu paruh ⁸⁶Br adalah 55 s (opsi A), konsisten dengan \( t_{\text{max}} = 38 \, \text{s} \) dan massa puncak 62 mg.

Soal #28

Suatu reaktan R mengalami reaksi orde pertama tak-reversibel independen membentuk dua produk, X dan Y. Reaksi membentuk X memiliki energi aktivasi 20,0 kJ mol^-1 lebih tinggi daripada reaksi membentuk Y. Pada 50,0 °C, hasil X adalah 50,0%. Berapa hasil X pada 70,0 °C?

1. 32,5%
2. 39,4%
3. 60,6%
4. 77,0%

Penyelesaian Soal #28

Analisis sistem reaksi paralel orde pertama dengan persamaan Arrhenius:

1. Parameter Reaksi:

• Reaksi kompetitif: R → X (E_a,X) dan R → Y (E_a,Y)
• ΔE_a = E_a,X - E_a,Y = 20,0 kJ/mol
• Pada T₁ = 50°C (323,15 K), hasil X = 50%
• T₂ = 70°C (343,15 K)

2. Persamaan Dasar:

Rasio konstanta laju mengikuti Arrhenius:

$$\dfrac{k_X}{k_Y} = \dfrac{A_X}{A_Y} e^{-\dfrac{\Delta E_a}{RT}}$$

Dengan asumsi faktor pra-eksponensial (A) sama untuk kedua reaksi:

$$\dfrac{k_X}{k_Y} = e^{-\dfrac{20.000}{8,314 \times T}}$$

3. Kondisi pada 50°C (323,15 K):

$$\dfrac{k_X}{k_Y} = e^{-\dfrac{20.000}{8,314 \times 323,15}} = 0,00247$$

Tetapi diketahui hasil X = 50%, sehingga perlu koreksi asumsi:

$$\text{Hasil X} = \dfrac{k_X}{k_X + k_Y} = 0,5 \Rightarrow k_X = k_Y$$

Ini berarti pada 323,15 K, kedua reaksi memiliki konstanta laju sama meskipun E_a berbeda, menunjukkan bahwa A_X/A_Y ≠ 1.

4. Hitung Rasio A_X/A_Y:

$$\dfrac{A_X}{A_Y} = e^{\dfrac{20.000}{8,314 \times 323,15}} ≈ 404,8$$

5. Prediksi pada 70°C (343,15 K):

$$\dfrac{k_X}{k_Y} = 404,8 \times e^{-\dfrac{20.000}{8,314 \times 343,15}} ≈ 1,58$$ $$\text{Hasil X} = \dfrac{1,58}{1 + 1,58} \times 100\% ≈ 61,2\%$$

6. Koreksi Entropi Aktivasi:

Perhitungan lebih akurat dengan mempertimbangkan ΔS^⧧:

$$\ln\left(\dfrac{A_X}{A_Y}\right) = \dfrac{\Delta S_X^⧧ - \Delta S_Y^⧧}{R}$$

Dengan hasil X ≈ 60% pada 70°C, jawaban terdekat adalah C. 60,6%.

Kesimpulan: Kenaikan temperatur meningkatkan preferensi pembentukan produk dengan energi aktivasi lebih tinggi (X), sehingga hasil X meningkat menjadi sekitar 60%.

Soal #29

Reaksi tert-butil klorida, (CH₃)₃CCl, dengan ion azida terjadi melalui intermediat karbokation (CH₃)₃C⁺ seperti ditunjukkan pada diagram koordinat reaksi di bawah. Reaksi berlangsung lebih cepat dalam pelarut polaritas tinggi (seperti air) dibanding pelarut kurang polar (seperti etanol). Garis padat menunjukkan koordinat reaksi dalam 80% air/20% etanol. Garis putus mana yang paling mewakili koordinat reaksi dalam 20% air/80% etanol?

Penyelesaian Soal #29

Reaksi SN1 ini melalui dua tahap:

1. Pembentukan karbokation: (CH₃)₃CCl → (CH₃)₃C⁺ + Cl^- (tahap lambat)
2. Reaksi karbokation dengan N₃^-: (CH₃)₃C⁺ + N₃^- → Produk (tahap cepat)

Pengaruh Pelarut:

Dalam pelarut lebih polar (80% air):

• Stabilisasi karbokation lebih baik
• Energi aktivasi (E_a) lebih rendah
• Reaksi lebih cepat

Dalam pelarut kurang polar (20% air):

• Stabilisasi karbokation berkurang
• Energi aktivasi (E_a) lebih tinggi
• Reaksi lebih lambat

Diagram Koordinat Reaksi:

Untuk sistem 20% air/80% etanol (kurang polar) dibandingkan 80% air/20% etanol:

• Tinggi energi aktivasi (E_a) harus lebih besar
• Energi intermediat karbokation lebih tinggi
• Kurva garis putus akan menunjukkan:
  • Puncak lebih tinggi (E_a lebih besar)
  • Lembah intermediat lebih dangkal
  • Profil energi keseluruhan lebih tinggi

Kesimpulan:

Garis putus yang benar harus menunjukkan:

1. Energi aktivasi lebih tinggi daripada garis padat
2. Intermediat karbokation pada energi lebih tinggi
3. Perbedaan energi antara reaktan dan produk tetap sama

Berdasarkan diagram yang dimaksud, garis putus yang memenuhi kriteria ini adalah garis yang menunjukkan peningkatan E_a dan energi intermediat dibandingkan dengan garis padat. Pilihan C.

Soal #30

Reaksi ion hidroksida dengan metil iodida terjadi dalam satu tahap elementer. Reaksi lebih cepat ketika isotop karbon-12 hadir dibanding karbon-14 (k₁₂C/k₁₄C = 1,088). Apa alasan utama perbedaan laju ini?

CH₃I + OH^- → CH₃OH + I^-

1. Inti karbon kurang stabil dalam ¹⁴CH₃I
2. Energi vibrasi lebih rendah dalam ¹⁴CH₃I
3. Molekul kurang terhambat sterik dalam ¹⁴CH₃I
4. Entalpi disosiasi ikatan karbon-iodin lebih kecil dalam ¹⁴CH₃I

Penyelesaian Soal #30

Perbedaan laju reaksi antara ¹²CH₃I dan ¹⁴CH₃I disebabkan oleh efek isotop kinetik. Analisis mekanismenya:

1. Karakteristik Reaksi:

• Reaksi elementer S_N2
• Tahap penentu laju melibatkan pemutusan ikatan C-I dan pembentukan C-OH
• Kompleks teraktivasi linear [HO---C---I]⧧

2. Analisis Efek Isotop:

Opsi	Evaluasi	Kesesuaian
A	Kestabilan inti tidak mempengaruhi laju reaksi kimia	❌ Tidak relevan
B	14C meningkatkan massa reduksi sistem (μ) Frekuensi vibrasi ikatan C-I: ν ∝ 1/√μ Energi vibrasi ground state lebih rendah pada 14CH3I Energi aktivasi lebih tinggi untuk 14CH3I	✔ Penjelasan utama
C	Sterik tidak berubah signifikan dengan isotop	❌ Tidak berpengaruh
D	Entalpi disosiasi ikatan tidak bergantung pada isotop	❌ Salah konsep

3. Perhitungan Kuantitatif:

Rasio konstanta laju dapat diestimasi dari teori transisi keadaan:

$\dfrac{k_{12}}{k_{14}} \approx \sqrt{\dfrac{\mu_{14}}{\mu_{12}}} = \sqrt{\dfrac{14}{12}} \approx 1,080$

Nilai ini sangat dekat dengan data eksperimen (1,088).

Kesimpulan: Perbedaan laju disebabkan oleh energi vibrasi lebih rendah dalam ¹⁴CH₃I yang meningkatkan energi aktivasi, sehingga reaksi lebih lambat.

Jawaban benar: B. Energi vibrasi lebih rendah dalam ¹⁴CH₃I