Pembahasan Soal OSP Kimia 2024 (Stoikiometri - Kimia Analitik)

Asam Format & Semut

Asam karboksilat yang paling sederhana adalah asam format (HCOOH). Jenis asam ini secara alami terdapat dalam semut dan dapat diisolasi dengan mendistilasi semut. Ketika disengat, semut akan mengeluarkan cairan yang berisi 50% v/v asam format. Formica rufa, jenis semut hutan dalam satu kali sengatan dapat mengeluarkan cairan dengan volume \( 6,0 \times 10^{-3} \, \text{cm}^{-3} \).

Soal a.
Jika anda disengat semut, semut tidak mengeluarkan seluruh asam format yang ada di tubuhnya namun menyisakan sedikit sebagai cadangan. Asumsikan semut hutan mengeluarkan 80% asam format, maka total volume asam format murni yang ada di tubuhnya adalah ... 0,00375 mL. (3 poin)

Data Diketahui:

Konsentrasi asam format dalam cairan semut: 50% v/v
Volume cairan per sengatan: \( 6,0 \times 10^{-3} \, \text{cm}^{3} \)
1 cm³ = 1 mL
1 dm³ = 1000 mL

Penyelesaian:

Volume asam format yang dikeluarkan per sengatan: \[ V_{\text{keluar}} = 50\% \times 6,0 \times 10^{-3} \, \text{mL} = 3,0 \times 10^{-3} \, \text{mL} \]

Karena semut hanya mengeluarkan 80% dari total asam formatnya: \[ 80\% \times V_{\text{total}} = 3,0 \times 10^{-3} \, \text{mL} \] \[ V_{\text{total}} = \frac{3,0 \times 10^{-3}}{0,8} = 3,75 \times 10^{-3} \, \text{mL} \]

Jawaban: \( \boxed{0,00375 \, \text{mL}} \)

Soal b.
Jumlah semut hutan yang dapat didestilasi untuk mendapatkan 1,0 dm^3 asam format murni adalah ... semut

Penyelesaian:

1,0 dm³ = 1000 mL asam format murni

Jumlah semut yang diperlukan: \[ N = \frac{1000 \, \text{mL}}{3,75 \times 10^{-3} \, \text{mL/semut}} \] \[ N = \frac{1000}{0,00375} \] \[ N = 266.666,6667 \] Karena jumlah semut harus bilangan bulat, dibulatkan menjadi 266.667 semut.

Jawaban: \( \boxed{266.667 \, \text{semut}} \)

Soal c.
Baking soda (natrium bikarbonat) sering digunakan untuk mengobati sengatan semut, manakah reaksi antara asam format dengan natrium bikarbonat? (2 poin)

A. HCOOH + NaHCO3 ⇌ HCOONa + H2O + CO2
B. HCOOH + NaHCO3 ⇌ HCOONa + H2CO3
C. HCOOH + Na2CO3 ⇌ HCOONa + H2CO3
D. tidak tahu
E. HCOOH + Na2CO3 ⇌ HCOONa + H2O + CO2

Reaksi Netralisasi Asam Format dengan Natrium Bikarbonat

Asam Format (HCOOH) sebagai asam bereaksi dengan Natrium Bikarbonat (NaHCO₃) sebagai basa.
Menghasilkan:
1. Natrium Format (HCOONa): Garam yang larut dalam air
2. Air (H₂O)
3. Gas Karbon Dioksida (CO₂): Ditandai dengan gelembung (↑)

Persamaan Reaksi yang tepat A:

\[ \text{HCOOH} + \text{NaHCO}_3 \rightarrow \text{HCOO}^- \text{Na}^+ + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2 \uparrow \]

Soal d.
Diketahui densitas asam format 1,2 g/ml, jumlah mol asam format yang dikeluarkan semut hutan adalah ... mol

Data Diketahui:

Volume cairan per sengatan: \( 6,0 \times 10^{-3} \, \text{mL} \)
Konsentrasi asam format: 50% v/v
Densitas asam format murni: \( 1,2 \, \text{g/mL} \)
Massa molar HCOOH: 46 g/mol

Langkah Penyelesaian:

Volume asam format murni: \[ V_{\text{HCOOH}} = 50\% \times 6,0 \times 10^{-3} \, \text{mL} = 3,0 \times 10^{-3} \, \text{mL} \]
Konversi ke massa: \[ m_{\text{HCOOH}} = 1,2 \, \text{g/mL} \times 3,0 \times 10^{-3} \, \text{mL} = 3,6 \times 10^{-3} \, \text{g} \]
Perhitungan mol: \[ n_{\text{HCOOH}} = \frac{3,6 \times 10^{-3} \, \text{g}}{46 \, \text{g/mol}} = 7,83 \times 10^{-5} \, \text{mol} \]

Jawaban:

Jumlah mol asam format yang dikeluarkan: \[ \boxed{7,83 \times 10^{-5} \, \text{mol}} \]

Soal e.
Massa natrium bikarbonat yang diperlukan untuk menetralkan sengatan dari semut hutan adalah ... mg

Perhitungan Massa Natrium Bikarbonat untuk Netralisasi Sengatan Semut

Data Diketahui:

Mol asam format (HCOOH) per sengatan: \( 7,83 \times 10^{-5} \, \text{mol} \)
Persamaan reaksi: \[ \text{HCOOH} + \text{NaHCO}_3 \rightarrow \text{HCOONa} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2 \]
Massa molar NaHCO₃: 84 g/mol
Perbandingan stoikiometri: 1:1

Langkah Penyelesaian:

Hitung mol NaHCO₃ yang dibutuhkan: \[ n_{\text{NaHCO}_3} = n_{\text{HCOOH}} = 7,83 \times 10^{-5} \, \text{mol} \]
Konversi mol ke massa: \[ m_{\text{NaHCO}_3} = 7,83 \times 10^{-5} \, \text{mol} \times 84 \, \text{g/mol} = 6,5772 \times 10^{-3} \, \text{g} \]
Konversi gram ke miligram: \[ 6,5772 \times 10^{-3} \, \text{g} = 6,58 \, \text{mg} \]

Jawaban:

Massa natrium bikarbonat yang diperlukan: \[ \boxed{6,58 \, \text{mg}} \]

Soal f.
Pada saat terkena sengatan semut, asam format akan dilarutkan oleh air di dalam tubuh. Jika asam format yang masuk dan larut dalam 1,0 ml air dalam tubuh (penambahan asam format tidak mengubah volume larutan), konsentrasi larutan asam format yang terbentuk adalah ... M.

Perhitungan Konsentrasi Asam Format dalam Tubuh

Data Diketahui:

Jumlah mol asam format per sengatan: \( 7,83 \times 10^{-5} \, \text{mol} \)
Volume air dalam tubuh yang melarutkan: \( 1,0 \, \text{mL} = 1,0 \times 10^{-3} \, \text{L} \)
Volume larutan dianggap konstan (tidak berubah)

Langkah Penyelesaian:

Hitung konsentrasi molar (M): \[ M = \frac{n}{V} \]
Substitusi nilai: \[ M = \frac{7,83 \times 10^{-5} \, \text{mol}}{1,0 \times 10^{-3} \, \text{L}} \]
Hasil perhitungan: \[ M = 7,83 \times 10^{-2} \, \text{mol/L} \]

Jawaban:

Konsentrasi larutan asam format yang terbentuk: \[ \boxed{7,83 \times 10^{-2} \, \text{M}} \]

Soal g.
Asam format termasuk asam lemah dan terdisosiasi sebagian kecil dalam air menurut persamaan di bawah ini

HCOOH(aq) ⇌ HCOO^-(aq) + H^+(aq)

Diketahui pH larutan asam format pada poin (f) adalah 2,43. Persen molekul asam format yang terdisosiasi adalah ...

Perhitungan Persen Disosiasi Asam Format

Data Diketahui:

Konsentrasi awal asam format (HCOOH): \( 7,83 \times 10^{-2} \, \text{M} \)
pH larutan: 2,43
Persamaan disosiasi: \[ \text{HCOOH} \rightleftharpoons \text{HCOO}^- + \text{H}^+ \]

Langkah Penyelesaian:

Hitung konsentrasi \(\text{H}^+\) dari pH: \[ [\text{H}^+] = 10^{-\text{pH}} = 10^{-2,43} = 3,72 \times 10^{-3} \, \text{M} \]
Hitung persen disosiasi (\(\alpha\)): \[ \alpha = \left( \frac{[\text{H}^+]}{[\text{HCOOH}]_{\text{awal}}} \right) \times 100\% \] \[ \alpha = \left( \frac{3,72 \times 10^{-3}}{7,83 \times 10^{-2}} \right) \times 100\% \]
Hasil perhitungan: \[ \alpha = 4,75\% \]

Jawaban:

Persen molekul asam format yang terdisosiasi: \[ \boxed{4,75\%} \]

Soal h.
Nilai tetapan disosiasi asam (pKa) asam format adalah ... 3.7324

Penentuan Tetapan Disosiasi Asam (pKa) Asam Format

Data yang Digunakan:

Konsentrasi awal [HCOOH] = 7,83 × 10⁻² M
pH larutan = 2,43 → [H⁺] = 3,72 × 10⁻³ M
Persen disosiasi (α) = 4,75%

Langkah Perhitungan:

1. Hitung Ka (Tetapan Disosiasi Asam)

Dari persamaan kesetimbangan:

\[ \text{Ka} = \frac{[\text{H}^+][\text{HCOO}^-]}{[\text{HCOOH}]} \]

Dengan:

[H⁺] = [HCOO⁻] = 3,72 × 10⁻³ M (karena disosiasi 1:1)
[HCOOH] sisa = [HCOOH] awal - [H⁺] = 0,0783 - 0,00372 = 0,07458 M

\[ \text{Ka} = \frac{(3,72 \times 10^{-3})(3,72 \times 10^{-3})}{0,07458} \] \[ \text{Ka} = 1,86 \times 10^{-4} \]

2. Hitung pKa

\[ \text{pKa} = -\log(\text{Ka}) \] \[ \text{pKa} = -\log(1,86 \times 10^{-4}) \] \[ \text{pKa} = 3,73 \]

Jawaban:

Nilai pKa asam format: \[ \boxed{3,73} \]

Verifikasi Nilai Literatur:

Nilai pKa asam format menurut referensi kimia:

Nilai standar: 3,75 (pada 25°C)
Hasil perhitungan kami: 3,73

Perbedaan hanya 0,02 → hasil sangat akurat!

Catatan Penting:

pKa menunjukkan kekuatan asam (semakin kecil pKa, semakin kuat asamnya)
Asam format termasuk asam lemah dengan pKa khas sekitar 3,7-3,8
Nilai ini konsisten dengan persen disosiasi 4,75% pada konsentrasi 0,0783 M

Soal i.
Selain distilasi, pemisahan asam format dapat dilakukan dengan metode ekstraksi. Kesetimbangan ekstraksi larutan asam format menggunakan pelarut organik digambarkan sebagai berikut :

Dengan koefisien partisi (K_D), perbandingan distribusi (D), fraksi analit tersisa di fasa air (Q), jumlah ekstraksi f' sebagai berikut:

1. Koefisien Partisi \[ K_D = \dfrac{[\text{HA}_{\text{org}}]}{[\text{HA}_{\text{aq}}]} \] 2. Rasio Distribusi dengan Disosiasi Asam \[ D = \dfrac{[\text{HA}_{\text{org}}]}{[\text{HA}_{\text{aq}}] + \left(\dfrac{K_a [\text{HA}_{\text{aq}}]}{[\text{H}_3\text{O}_{\text{aq}}^+]}\right)} \] 3. Fraksi Fase Air setelah Ekstraksi ke-n \[ (Q_{\text{aq}})_n = \left(\dfrac{V_{\text{aq}}}{D V_{\text{org}} + V_{\text{aq}}}\right)^n \]

Jika asam format dipisahkan menggunakan 50,0 ml pelarut benzena (K_D = 3,00), efisiensi pemisahan 50,0 ml larutan asam format 0,025 M yang di-buffer-kan pada pH 3 (n=1) adalah ...

Perhitungan Efisiensi Pemisahan Asam Format dengan Ekstraksi Benzena

Data Diketahui:

Koefisien partisi (K_D) = 3,00
Volume fasa air (V_aq) = 50,0 mL
Volume fasa organik (V_org) = 50,0 mL
Konsentrasi awal asam format = 0,025 M
pH larutan = 3 (di-buffer)
Ka asam format = 1,8 × 10^-4
Jumlah ekstraksi (n) = 1

Langkah Penyelesaian:

1. Hitung Rasio Distribusi (D)

Dengan pH dijaga konstan pada 3 ([H⁺] = 10^-3 M):

\[ D = \dfrac{K_D}{1 + \dfrac{K_a}{[\text{H}^+]}} \] \[ D = \dfrac{3,00}{1 + \dfrac{1,8 \times 10^{-4}}{10^{-3}}} \] \[ D = \dfrac{3,00}{1 + 0,18} \] \[ D = 2,54 \]

2. Hitung Fraksi Tersisa di Fasa Air (Q_aq)

Untuk satu kali ekstraksi (n=1):

\[ Q_{\text{aq}} = \dfrac{V_{\text{aq}}}{D V_{\text{org}} + V_{\text{aq}}} \] \[ Q_{\text{aq}} = \dfrac{50,0}{2,54 \times 50,0 + 50,0} \] \[ Q_{\text{aq}} = \dfrac{50,0}{127 + 50} \] \[ Q_{\text{aq}} = 0,282 \]

3. Hitung Efisiensi Ekstraksi

\[ \text{Efisiensi} = (1 - Q_{\text{aq}}) \times 100\% \] \[ \text{Efisiensi} = (1 - 0,282) \times 100\% \] \[ \text{Efisiensi} = 71,8\% \]

Jawaban:

Efisiensi pemisahan asam format: \[ \boxed{71,8\%} \]

Pages