Laju Reaksi, Menghitung Laju Reaksi Berdasarkan Pengurangan Massa Campuran CaCO3 dan HCl

Dalam sebuah eksperimen, reaksi antara CaCO₃(s) dan HCl(aq) dilakukan dalam wadah terbuka, menghasilkan CaCl₂(aq), H₂O(l), dan CO₂(g). Massa campuran reaksi diukur seiring waktu, dan grafik pengurangan massa terhadap waktu ditunjukkan di atas. Grafik menunjukkan bahwa kurva mulai melandai sekitar 400 detik. Massa atom relatif (Ar) unsur-unsur yang terlibat adalah: Ca = 40, C = 12, O = 16, H = 1, Cl = 35,5.

Gunakan informasi dan grafik untuk menjawab pertanyaan berikut.

Pertanyaan

1. Tulis persamaan reaksi setara untuk reaksi antara CaCO₃(s) dan HCl(aq). Jelaskan fase masing-masing senyawa dan produk.
2. Berdasarkan persamaan reaksi, jelaskan mengapa massa campuran berkurang selama reaksi berlangsung. Senyawa apa yang menyebabkan pengurangan massa ini?
3. Dari grafik, amati pengurangan massa pada 400 detik. Hitung massa awal CaCO₃ (dalam gram) yang digunakan dalam eksperimen, dengan asumsi pengurangan massa pada 400 detik mencerminkan hampir seluruh CaCO₃ telah bereaksi.
4. Berapa jumlah mol CaCO₃ awal yang digunakan dalam reaksi? Gunakan Ar yang diberikan.
5. Berapa jumlah mol HCl yang diperlukan untuk bereaksi sepenuhnya dengan CaCO₃ awal? Berapa massa HCl (dalam gram)?
6. Hitung massa CaCl₂ dan H₂O (dalam gram) yang dihasilkan dari reaksi jika seluruh CaCO₃ bereaksi.
7. Hitung laju reaksi rata-rata (dalam mol CaCO₃/detik) selama 400 detik pertama berdasarkan pengurangan massa pada 400 detik dari grafik.
8. Berdasarkan grafik, tentukan pengurangan massa (dalam gram) pada:
   1. \( t = 50 \) detik
   2. \( t = 150 \) detik
   3. \( t = 250 \) detik
   Bulatkan jawaban hingga dua desimal.
9. Berapa massa CaCO₃ yang tersisa (dalam gram) pada \( t = 200 \) detik? Gunakan data pengurangan massa dari grafik dan massa awal CaCO₃.
10. Berdasarkan grafik, tentukan persamaan pengurangan massa sebagai fungsi waktu dan hitung konstanta laju reaksi \( k \) (dalam \( \text{detik}^{-1} \)). Petunjuk: Gunakan data pada dua titik waktu (misalnya, \( t = 200 \) dan \( t = 400 \) detik) dan asumsikan bentuk persamaan eksponensial.
11. Berdasarkan bentuk kurva pengurangan massa yang menanjak dan melandai, tentukan orde reaksi terhadap CaCO₃. Jelaskan alasanmu dengan membandingkan bentuk kurva untuk orde nol, satu, dan dua.
12. Gunakan persamaan pengurangan massa yang kamu tentukan dan nilai \( k \) untuk menghitung laju pengurangan massa instan (dalam g/detik) pada \( t = 200 \) detik. Petunjuk: Laju instan adalah turunan \( \dfrac{d(\text{massa})}{dt} \).
13. Sebutkan tiga faktor yang dapat meningkatkan laju reaksi ini. Jelaskan bagaimana masing-masing faktor memengaruhi kurva pengurangan massa.
14. Jika Anda ingin mengulang eksperimen ini dengan massa awal CaCO₃ dua kali lebih besar, prediksi bagaimana kurva pengurangan massa akan berubah. Jelaskan secara kualitatif.
15. Berdasarkan grafik dan persamaan yang kamu tentukan, pada waktu berapa (dalam detik) pengurangan massa mencapai 90% dari nilai maksimumnya? Petunjuk: Gunakan nilai maksimum pengurangan massa dari grafik.

Kunci Jawaban

Lihat Kunci Jawaban

1. Persamaan Reaksi:

   \[ \text{CaCO}_3(\text{s}) + 2\text{HCl}(\text{aq}) \to \text{CaCl}_2(\text{aq}) + \text{H}_2\text{O}(\text{l}) + \text{CO}_2(\text{g}) \]

   CaCO₃: padat, HCl: larutan, CaCl₂: larutan, H₂O: cair, CO₂: gas.

2. Penyebab Pengurangan Massa:

   Pengurangan massa disebabkan oleh pelepasan CO₂(g) yang keluar dari sistem dalam wadah terbuka.

3. Massa Awal CaCO₃:

   Dari grafik, pengurangan massa pada 400 detik ≈ 20 g.
   Mol CO₂ = $ \dfrac{20}{44} \approx 0,4545 \, \text{mol} $.
   Mol CaCO₃ = 0,4545 mol.
   Massa = $ 0,4545 \times 100 = 45,45 \, \text{g} .$

4. Jumlah Mol CaCO₃: 0,4545 mol.
5. Stoikiometri HCl:

   Mol HCl = $ 2 \times 0,4545 = 0,909 \, \text{mol}. $
   Massa HCl = $ 0,909 \times 36,5 \approx 33,18 \, \text{g}. $

6. Massa Produk:

   CaCl₂: $ 0,4545 \times 111 \approx 50,45 \, \text{g}.$
   H₂O: $ 0,4545 \times 18 \approx 8,18 \, \text{g} .$

7. Laju Reaksi Rata-Rata:

   Pengurangan massa pada 400 detik ≈ 20 g.
   Mol CaCO₃ = 0,4545 mol.
   Laju = $ \dfrac{0,4545}{400} \approx 1,136 \times 10^{-3} \, \text{mol/detik}. $

8. Pengurangan Massa:

   Berdasarkan grafik (dengan persamaan \[ \text{Massa} = 20 \cdot (1 - e^{-0,01151t}) \] untuk konsistensi):

   1. \( t = 50 \): ≈ 3,58 g
   2. \( t = 150 \): ≈ 9,44 g
   3. \( t = 250 \): ≈ 13,96 g
9. CaCO₃ Tersisa pada 200 detik:

   Dari grafik, pengurangan massa pada 200 detik ≈ 11,99 g.
   Mol CO₂ =$ \dfrac{11,99}{44} \approx 0,2725 \, \text{mol} $.
   Mol CaCO₃ bereaksi = 0,2725 mol.
   Mol tersisa = $ 0,4545 - 0,2725 = 0,182 \, \text{mol}. $
   Massa tersisa = $ 0,182 \times 100 \approx 18,2 \, \text{g}. $

10. Persamaan dan Konstanta Laju:

    Berdasarkan grafik, asumsikan persamaan \[ \text{Massa} = M_{\text{max}} \cdot (1 - e^{-kt}) \] Pada \( t = 400 \), massa ≈ 20 g (maksimum), jadi \( M_{\text{max}} = 20 \)
    Gunakan data pada \( t = 200 \): massa ≈ 11,99 g. \[ \begin{aligned} 11,99 &= 20 \cdot (1 - e^{-k \cdot 200}) \\ \dfrac{11,99}{20} &= 1 - e^{-200k} \\ 0,5995 &= 1 - e^{-200k} \\ e^{-200k} &= 0,4005 \\ -200k &= \ln(0,4005) \\ -200k &\approx -0,915 \\ k &\approx \dfrac{0,915}{200} \\ k &\approx 0,00458 \, \\\text{persamaan} &: \text{Massa} = 20 \cdot (1 - e^{-0,00458t}) \end{aligned} \] (Catatan: nilai \( k \) ini adalah perkiraan; gunakan siswa dapat menggunakan data lain seperti \( t = 400 \) untuk akurasi atau lebih banyak titikkan.)

11. Orde Reaksi:

    Kurva eksponensial menanjak dan melandai menunjukkan orde satu, karena laju sebanding dengan konsentrasi CaCO₃, menghasilkan penurunan eksponensial (\( e^{-kt} \)). Orde nol menghasilkan kurva linier, dan orde dua menghasilkan kurva hiperbolik.

12. Laju Reaksi Instan:

    Menggunakan $ \text{Massa} = 20 \cdot (1 - e^{-kt}) $.
    Turunan: $ \dfrac{d(\text{massa})}{dt} = 20 \cdot k \cdot e^{-kt}$.
    Dengan \( k \approx 0,01151 \) (untuk konsistensi):
    Pada \( t = 200 \): $ 20 \cdot 0,01151 \cdot e^{-0,01151 \cdot 200} \approx 0,023 \, \text{g/detik}$.

13. Faktor Laju:
    1. Konsentrasi HCl: Meningkatkan konsentrasi mempercepat reaksi, kurva lebih curam.
    2. Luas permukaan CaCO₃: Serbuk lebih cepat daripada bongkahan, kurva lebih curam.
    3. Suhu: Meningkatkan energi kinetik, mempercepat reaksi, kurva lebih curam.
14. Desain Eksperimen:

    Jika massa CaCO₃ dua kali lipat (90,9 g), pengurangan massa maksimum ≈ 40 g, kurva tetap memiliki bentuk eksponensial tetapi dengan nilai maksimum lebih tinggi.

15. Waktu untuk 90% Maksimum:

    Dari grafik, maksimum ≈ 20 g, jadi 90% = 18 g. Menggunakan \[ \text{Massa} = 20 \cdot (1 - e^{-kt}) \] dengan \( k \approx 0,01151 \): \[ \begin{aligned} 18 &= 20 \cdot (1 - e^{-0,01151t}) \\ \dfrac{18}{20} &= 1 - e^{-0,01151t} \\ 0,9 &= 1 - e^{-0,01151t} \\ e^{-0,01151t} &= 0,1 \\ -0,01151t &= \ln(0,1) \\ -0,01151t &\approx -2,3026 \\ t &\approx \dfrac{2,3026}{0,01151} \\ t &\approx 200 \, \text{detik} \end{aligned} \]