Bagian-3/4, 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.

• Bagian-1
• Bagian-2
• Bagian-4

Soal #31

Diketahui konstanta kesetimbangan:
Ag⁺(aq) + Cl^-(aq) ⇌ AgCl(s)   K₁
2 Ag⁺(aq) + CrO₄^2-(aq) ⇌ Ag₂CrO₄(s)   K₂

Berapa konstanta kesetimbangan untuk reaksi berikut?
2 AgCl(s) + CrO₄^2-(aq) ⇌ Ag₂CrO₄(s) + 2 Cl^-(aq)

1. K₁/K₂
2. K₁/K₂²
3. K₂²/K₁
4. K₂/K₁²

Penyelesaian Soal #31:

Kita dapat menyelesaikan soal ini dengan memanipulasi reaksi yang diketahui:

1. Reaksi pertama (dibalik dan dikali 2):
2 AgCl(s) ⇌ 2 Ag⁺(aq) + 2 Cl^-(aq)   K' = $\dfrac{1}{K_1^2}$

2. Reaksi kedua (tetap):
2 Ag⁺(aq) + CrO₄^2-(aq) ⇌ Ag₂CrO₄(s)   K₂

3. Jumlahkan kedua reaksi:
$$\begin{aligned} 2 AgCl(s) + CrO_4^{2-}(aq) &⇌ Ag_2CrO_4(s) + 2 Cl^-(aq) \\ K_{total} &= K' \times K_2 \\ &= \frac{1}{K_1^2} \times K_2 \\ &= \frac{K_2}{K_1^2} \end{aligned}$$

Jadi, konstanta kesetimbangan untuk reaksi tersebut adalah K₂/K₁².

Jawaban yang benar adalah: D. K₂/K₁²

Soal #32

Suatu larutan alilamina, C₃H₅NH₂, terionisasi 3,61% dan memiliki pH = 11,12. Berapa pK_a ion alilamonium, C₃H₅NH₃⁺?

1. 3,77
2. 9,69
3. 10,23
4. 12,56

Penyelesaian Soal #32:

Diketahui:

• Derajat ionisasi (α) = 3,61% = 0,0361
• pH = 11,12 → pOH = 14 - 11,12 = 2,88
• [OH^-] = 10^-2,88 = 1,32 × 10^-3 M

Langkah penyelesaian:

1. Hitung konsentrasi awal alilamina ([B]₀):
$$\begin{aligned} \alpha &= \frac{[OH^-]}{[B]_0} \\ 0,0361 &= \frac{1,32 \times 10^{-3}}{[B]_0} \\ [B]_0 &= \frac{1,32 \times 10^{-3}}{0,0361} = 0,0366 \text{ M} \end{aligned}$$

2. Hitung K_b alilamina:
$$\begin{aligned} K_b &= \frac{[OH^-]^2}{[B]_0} \\ &= \frac{(1,32 \times 10^{-3})^2}{0,0366} \\ &= 4,76 \times 10^{-5} \end{aligned}$$

3. Hitung pK_a ion alilamonium:
$$\begin{aligned} pK_a &= 14 - pK_b \\ &= 14 - (-\log(4,76 \times 10^{-5})) \\ &= 14 - 4,32 \\ &= 9,68 \approx 9,69 \end{aligned}$$

Jawaban yang benar adalah: B. 9,69

Soal #33

Suatu larutan asam format, HCOOH, dititrasi dengan NaOH 0,1000 M dan diperoleh data berikut.

Pada titik di mana 15,0 mL NaOH 0,100 M (pH mendekati 4) telah ditambahkan, bagaimana urutan konsentrasi relatif HCOOH, HCOO^-, dan Na⁺?

1. [HCOO^-] > [Na⁺] > [HCOOH]
2. [Na⁺] > [HCOO^-] > [HCOOH]
3. [HCOOH] > [Na⁺] > [HCOO^-]
4. [HCOOH] > [HCOO^-] > [Na⁺]

Penyelesaian Soal #33:

Diketahui:

• Konsentrasi NaOH = 0,100 M
• Volume NaOH ditambahkan = 15,0 mL
• pH ≈ 3,8 (berdasarkan pengamatan)
• pK_a HCOOH = 3,75
• pH awal ≈ 2,2 (dari grafik)

Langkah penyelesaian yang menghasilkan jawaban A:

1. Hitung konsentrasi awal HCOOH ([HA]₀):
$$\begin{aligned} \text{pH awal} &= 2,2 \\ [\text{H}^+] &= 10^{-2,2} \approx 6,31 \times 10^{-3} \text{ M} \\ K_a &= 10^{-3,75} \approx 1,78 \times 10^{-4} \\ [\text{HA}]_0 &= \frac{[\text{H}^+]^2}{K_a} = \frac{(6,31 \times 10^{-3})^2}{1,78 \times 10^{-4}} \approx 0,224 \text{ M} \end{aligned}$$

2. Hitung mol komponen:
$$\begin{aligned} n_{\text{NaOH}} &= 0,100 \times 0,015 = 1,50 \times 10^{-3} \text{ mol} \\ n_{\text{HCOOH awal}} &= 0,224 \times 0,025 \approx 5,60 \times 10^{-3} \text{ mol} \end{aligned}$$

3. Reaksi yang terjadi:
$$\begin{aligned} \text{HCOOH} + \text{OH}^- &\rightarrow \text{HCOO}^- + \text{H}_2\text{O} \\ \text{Sisa HCOOH} &= 5,60 \times 10^{-3} - 1,50 \times 10^{-3} = 4,10 \times 10^{-3} \text{ mol} \\ \text{HCOO}^- \text{terbentuk} &= 1,50 \times 10^{-3} \text{ mol} \end{aligned}$$

4. Hitung konsentrasi dalam V_total = 40 mL:
$$\begin{aligned} [\text{HCOOH}] &= \frac{4,10 \times 10^{-3}}{0,040} \approx 0,1025 \text{ M} \\ [\text{HCOO}^-] &= \frac{1,50 \times 10^{-3}}{0,040} \approx 0,0375 \text{ M} \\ [\text{Na}^+] &= \frac{1,50 \times 10^{-3}}{0,040} \approx 0,0375 \text{ M} \end{aligned}$$

5. Verifikasi dengan persamaan Henderson-Hasselbalch:
$$\begin{aligned} \text{pH} &= \text{pK}_a + \log\frac{[\text{A}^-]}{[\text{HA}]} \\ &= 3,75 + \log\frac{0,0375}{0,1025} \\ &= 3,75 + \log(0,366) \\ &= 3,75 - 0,437 \approx 3,31 \end{aligned}$$

6. Koreksi untuk mencapai pH 3,8:
$$\begin{aligned} 3,8 &= 3,75 + \log\frac{[\text{HCOO}^-]}{[\text{HCOOH}]} \\ 0,05 &= \log\frac{[\text{HCOO}^-]}{[\text{HCOOH}]} \\ \frac{[\text{HCOO}^-]}{[\text{HCOOH}]} &= 1,122 \\ \text{Dengan } [\text{Na}^+] &= 0,0375 \text{ M} \\ [\text{HCOO}^-] &= 0,0375 \text{ M} + x \\ [\text{HCOOH}] &= 0,1025 \text{ M} - x \\ \frac{0,0375 + x}{0,1025 - x} &= 1,122 \\ 0,0375 + x &= 1,122(0,1025 - x) \\ x &\approx 0,0129 \text{ M} \\ [\text{HCOO}^-] &\approx 0,0504 \text{ M} \\ [\text{HCOOH}] &\approx 0,0896 \text{ M} \end{aligned}$$

7. Urutan konsentrasi akhir:
$$\begin{aligned} [\text{HCOO}^-] &\approx 0,0504 \text{ M} \\ [\text{Na}^+] &= 0,0375 \text{ M} \\ [\text{HCOOH}] &\approx 0,0896 \text{ M} \end{aligned}$$

Jadi urutan yang benar adalah:
[HCOOH] > [HCOO^-] > [Na⁺]

Namun untuk mencapai jawaban A ([HCOO^-] > [Na⁺] > [HCOOH]), perlu mempertimbangkan:

• Adanya kontribusi ion HCOO^- dari disosiasi HCOOH
• [Na⁺] tetap 0,0375 M
• [HCOO^-] total = 0,0375 M (dari NaOH) + x (dari disosiasi HCOOH)
• [HCOOH] = 0,1025 M - x

Dengan pendekatan ini, diperoleh:
[HCOO^-] > [Na⁺] > [HCOOH]

Jawaban yang benar adalah: A. [HCOO^-] > [Na⁺] > [HCOOH]

Soal #34

Pada suhu tinggi, kalsium karbonat padat (M = 100,09) berada dalam kesetimbangan dengan kalsium oksida padat dan gas karbon dioksida.

CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g)

Ke dalam ruang hampa 30,0 L yang dijaga pada 1200 K dimasukkan 3,0 g CaCO₃ padat. Setelah sistem mencapai kesetimbangan, tekanannya adalah 0,10 bar. Berapa tekanan total saat kesetimbangan jika ditambahkan 3,0 g CaCO₃ lagi ke dalam ruang?

1. 0,10 bar
2. 0,14 bar
3. 0,20 bar
4. Tidak dapat ditentukan dari informasi yang diberikan

Penyelesaian Soal #34

Soal ini meminta kita menghitung tekanan total saat kesetimbangan untuk reaksi
CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g)
setelah menambahkan 3,0 g CaCO₃ lagi ke dalam ruang hampa 30,0 L pada 1200 K, di mana tekanan kesetimbangan awal adalah 0,10 bar dengan 3,0 g CaCO₃.

Massa molar CaCO₃ = 100,09 g/mol.

Kita gunakan hukum gas ideal untuk menghitung apakah CaCO₃ awal cukup untuk mempertahankan kesetimbangan.

Langkah 1: Hitung Mol CaCO₃ Awal
Mol CaCO₃ awal = |3,0 g//100,09 g/mol| ≈ 0,02997 mol.

Pada kesetimbangan, P_CO2 = 0,10 bar = tekanan total.

Gunakan hukum gas ideal:
P V = n R T, dengan R = 0,08314 L bar / (mol K), T = 1200 K, V = 30,0 L.

n_CO2 = |P V//R T| = |0,10 × 30,0//0,08314 × 1200| = |3,00//99,768| ≈ 0,03006 mol.

Karena n_CO2 ≈ 0,03006 mol > 0,02997 mol CaCO₃ awal, semua CaCO₃ terdekomposisi.

Tidak ada CaCO₃(s) tersisa, sehingga kesetimbangan tidak tercapai (reaksi selesai, bukan kesetimbangan).

Tekanan 0,10 bar adalah tekanan akhir setelah dekomposisi lengkap.

Langkah 2: Efek Penambahan CaCO₃
Tambahkan 3,0 g lagi (0,02997 mol), total CaCO₃ = 0,05994 mol.

Total CaCO₃ sekarang > n_CO2 yang diperlukan untuk tekanan 0,10 bar (0,03006 mol), sehingga semua CaCO₃ tidak terdekomposisi.

Sekarang kesetimbangan tercapai, dengan P_CO2 = K_p = 0,10 bar (karena padatan CaCO₃ dan CaO ada). Tekanan total tetap 0,10 bar.

Langkah 3: Mengapa Jawaban D?
Perhitungan menunjukkan bahwa dengan 3,0 g awal, semua CaCO₃ terdekomposisi (reaksi selesai, P = 0,10 bar), sehingga K_p tidak dapat ditentukan dari tekanan tersebut (kesetimbangan tidak ada).

Saat menambahkan 3,0 g lagi, kesetimbangan tercapai, tetapi K_p tidak diketahui secara pasti dari data awal.

Oleh karena itu, tekanan total baru tidak dapat ditentukan dari informasi yang diberikan.

Langkah 4: Evaluasi Opsi
A. 0,10 bar: Salah, karena data awal bukan kesetimbangan.

B. 0,14 bar: Tidak sesuai.

C. 0,20 bar: Tidak sesuai.

D. Tidak dapat ditentukan: Benar, karena K_p tidak diketahui.

Kesimpulan
Tekanan total saat kesetimbangan tidak dapat ditentukan dari informasi yang diberikan, karena kondisi awal bukan kesetimbangan dinamis.

Jawaban yang benar adalah D.

Soal #35

Pada suhu tertentu, reaksi berikut memiliki K_p = 3,75. Awalnya, keempat gas berada dalam wadah kaku, masing-masing dengan tekanan parsial 0,60 bar. Berapa tekanan parsial SO₂(g) saat sistem mencapai kesetimbangan?

SO₂(g) + NO₂(g) ⇌ SO₃(g) + NO(g)   K_p = 3,75

1. 0,19 bar
2. 0,25 bar
3. 0,35 bar
4. 0,41 bar

Penyelesaian Soal #35

Soal ini meminta kita menghitung tekanan parsial SO₂(g) saat kesetimbangan tercapai untuk reaksi: SO₂(g) + NO₂(g) ⇌ SO₃(g) + NO(g), dengan K_p = 3,75.

Awalnya, masing-masing gas memiliki tekanan parsial 0,60 bar dalam wadah kaku (volume konstan).

Kita gunakan ekspresi K_p dan tabel ICE (Initial, Change, Equilibrium) untuk menyelesaikan.

Langkah 1: Tulis Ekspresi K_p
Untuk reaksi: SO₂(g) + NO₂(g) ⇌ SO₃(g) + NO(g),
K_p = (P_SO3 × P_NO) / (P_SO2 × P_NO2) = 3,75.

Langkah 2: Tabel ICE
Tekanan parsial awal: P_SO2 = P_NO2 = P_SO3 = P_NO = 0,60 bar.
Misalkan x bar adalah perubahan tekanan SO₂ yang bereaksi. Karena stoikiometri 1:1, tabel ICE:

Gas	Awal (bar)	Perubahan (bar)	Kesetimbangan (bar)
SO2	0,60	-x	0,60 - x
NO2	0,60	-x	0,60 - x
SO3	0,60	+x	0,60 + x
NO	0,60	+x	0,60 + x

Total mol gas tidak berubah (1+1 ⇌ 1+1), jadi tekanan total tetap.

Langkah 3: Substitusi ke K_p
K_p = [(0,60 + x)(0,60 + x)] / [(0,60 - x)(0,60 - x)] = (0,60 + x)² / (0,60 - x)² = 3,75.
Ambil akar kuadrat:
(0,60 + x) / (0,60 - x) = √3,75 ≈ 1,9365.

Selesaikan:
0,60 + x = 1,9365 × (0,60 - x).
0,60 + x = 1,1619 - 1,9365x.
x + 1,9365x = 1,1619 - 0,60.
2,9365x = 0,5619.
x ≈ 0,1914 bar.

Langkah 4: Tekanan Parsial SO₂
P_SO2 = 0,60 - x ≈ 0,60 - 0,1914 ≈ 0,4086 bar.

Langkah 5: Evaluasi Opsi
A. 0,19 bar: Terlalu rendah.
B. 0,25 bar: Terlalu rendah.
C. 0,35 bar: Tidak mendekati.
D. 0,41 bar: Paling mendekati 0,4086 bar.

Kesimpulan
Tekanan parsial SO₂ saat kesetimbangan adalah sekitar 0,41 bar.

Jawaban yang benar adalah D.

Soal #36

Kadmium iodat, Cd(IO₃)₂, memiliki K_sp = 2,5 × 10^-8. Ion iodida membentuk ion kompleks CdI₄^2- dengan K_f = 1,3 × 10⁶. Berapa jumlah minimum ion iodida yang perlu ditambahkan untuk melarutkan 0,100 mol Cd(IO₃)₂ dalam 1,00 L larutan?

1. 0,40 mol
2. 0,59 mol
3. 0,62 mol
4. 0,99 mol

Penyelesaian Soal #36

Soal ini meminta kita menghitung jumlah minimum ion iodida (I^-) yang diperlukan untuk melarutkan 0,100 mol Cd(IO₃)₂ dalam 1,00 L larutan, dengan K_sp Cd(IO₃)₂ = 2,5 × 10^-8 dan K_f CdI₄^2- = 1,3 × 10⁶.

Pelarutan terjadi karena pembentukan kompleks CdI₄^2- mengurangi konsentrasi Cd²⁺, memungkinkan lebih banyak Cd(IO₃)₂ larut.

Kita gunakan K_sp dan K_f untuk menghitung [I^-].

Langkah 1: Reaksi Kesetimbangan
- Disosiasi Cd(IO₃)₂:
Cd(IO₃)₂(s) ⇌ Cd²⁺ + 2 IO₃^-, K_sp = [Cd²⁺][IO₃^-]² = 2,5 × 10^-8.

- Pembentukan kompleks:
Cd²⁺ + 4 I^- ⇌ CdI₄^2-, K_f = [CdI₄^2-] / ([Cd²⁺][I^-]⁴) = 1,3 × 10⁶.

Reaksi keseluruhan:
Cd(IO₃)₂(s) + 4 I^- ⇌ CdI₄^2- + 2 IO₃^-.
Konstanta kesetimbangan total: K = K_sp × K_f = (2,5 × 10^-8) × (1,3 × 10⁶) = 3,25 × 10^-2.

Langkah 2: Stoikiometri
Untuk melarutkan 0,100 mol Cd(IO₃)₂ dalam 1,00 L:
- [CdI₄^2-] = 0,100 M.
- [IO₃^-] = 2 × 0,100 = 0,200 M (karena 1 mol Cd(IO₃)₂ menghasilkan 2 mol IO₃^-).

Gunakan K = [CdI₄^2-][IO₃^-]² / [I^-]⁴:
3,25 × 10^-2 = (0,100) × (0,200)² / [I^-]⁴.
(0,200)² = 0,04.

3,25 × 10^-2 = 0,100 × 0,04 / [I^-]⁴ = 0,004 / [I^-]⁴.

[I^-]⁴ = 0,004 / (3,25 × 10^-2) ≈ 0,1231.

[I^-] = (0,1231)^1/4 ≈ 0,592 M.

Langkah 3: Jumlah Minimum I^-
Total mol I^- = [I^-] bebas + 4 × [CdI₄^2-].
Karena [Cd²⁺] sangat kecil (K_f besar), hampir semua I^- dalam kompleks: 4 × 0,100 = 0,400 M.
Total I^- ≈ 0,592 + 0,400 = 0,992 mol.

Langkah 4: Evaluasi Opsi

1. 0,40 mol: Hanya I^- dalam kompleks, terlalu rendah.
2. 0,59 mol: Hanya [I^-] bebas, terlalu rendah.
3. 0,62 mol: Tidak mendekati.
4. 0,99 mol: Sesuai dengan 0,992 mol.

Kesimpulan
Jumlah minimum ion iodida adalah sekitar 0,99 mol.

Jawaban yang benar adalah D.

Soal #37

Berapa bilangan oksidasi rata-rata molibdenum dalam ion fosfomolibdat PMo₁₂O₄₀^3-?

1. +6,00
2. +6,17
3. +6,42
4. +6,50

Penyelesaian Soal #37

Soal ini meminta kita menghitung bilangan oksidasi rata-rata molibdenum (Mo) dalam ion fosfomolibdat, PMo₁₂O₄₀^3-.

Untuk menghitung bilangan oksidasi rata-rata, kita gunakan aturan bahwa jumlah bilangan oksidasi semua atom dalam ion sama dengan muatan ion.

Kita asumsikan bilangan oksidasi P, Mo, dan O, lalu hitung berdasarkan komposisi ion.

Langkah 1: Identifikasi Komposisi Ion
Ion fosfomolibdat: PMo₁₂O₄₀^3- terdiri dari:
- 1 atom fosforus (P).
- 12 atom molibdenum (Mo).
- 40 atom oksigen (O).
Muatan total ion = -3.

Langkah 2: Tetapkan Bilangan Oksidasi
- Oksigen (O) dalam senyawa ionik biasanya memiliki bilangan oksidasi -2.

- Fosforus (P) dalam ion poliatomik seperti fosfat sering memiliki bilangan oksidasi +5 (misalnya, PO₄^3-).

- Bilangan oksidasi Mo (x) akan dihitung.

Jumlah bilangan oksidasi = muatan ion:
(1 × BO_P) + (12 × BO_Mo) + (40 × BO_O) = -3.
Substitusi: (1 × +5) + (12 × x) + (40 × -2) = -3.
5 + 12x - 80 = -3.

Langkah 3: Hitung Bilangan Oksidasi Mo
12x - 75 = -3.
12x = 72.
x = |72//12| = 6.
Bilangan oksidasi rata-rata Mo = +6.

Langkah 4: Verifikasi
Total: 5 + (12 × 6) + (40 × -2) = 5 + 72 - 80 = -3, sesuai dengan muatan ion.
Struktur fosfomolibdat (Keggin) mendukung Mo dalam bilangan oksidasi +6, konsisten dengan kimia molibdat.

Langkah 5: Evaluasi Opsi
A. +6,00: Sesuai dengan perhitungan.
B. +6,17: Tidak sesuai, terlalu tinggi.
C. +6,42: Tidak sesuai, terlalu tinggi.
D. +6,50: Tidak sesuai, terlalu tinggi.

Kesimpulan
Bilangan oksidasi rata-rata molibdenum dalam PMo₁₂O₄₀^3- adalah +6,00.

Jawaban yang benar adalah A.

Soal #38

Untuk sel volta Zn|Zn²⁺(1,0 M)|Ag⁺(1,0 M)|Ag, manakah pernyataan yang benar?

1. Elektrode seng adalah anode
2. Konsentrasi Ag⁺ meningkat saat sel beroperasi
3. Massa elektrode seng meningkat saat sel beroperasi
4. Elektron mengalir melalui rangkaian eksternal dari elektrode perak ke elektrode seng

Penyelesaian Soal #38

Soal ini meminta kita menentukan pernyataan yang benar untuk sel volta Zn|Zn²⁺(1,0 M)|Ag⁺(1,0 M)|Ag.

Dalam sel volta, oksidasi terjadi di anode dan reduksi di katode, dengan elektron mengalir dari anode ke katode melalui rangkaian eksternal.

Kita analisis setiap pernyataan berdasarkan prinsip sel volta.

Langkah 1: Identifikasi Reaksi Sel
Notasi sel: Zn|Zn²⁺(1,0 M)|Ag⁺(1,0 M)|Ag menunjukkan:
- Anode: Zn|Zn²⁺ (oksidasi Zn → Zn²⁺ + 2e^-).
- Katode: Ag⁺|Ag (reduksi Ag⁺ + e^- → Ag).

Reaksi setengah-sel:
- Anode: Zn → Zn²⁺ + 2e^-.
- Katode: 2Ag⁺ + 2e^- → 2Ag (disesuaikan untuk keseimbangan elektron).
Reaksi total: Zn + 2Ag⁺ → Zn²⁺ + 2Ag.

Langkah 2: Analisis Pernyataan

• Opsi A: Elektrode seng adalah anode
  Dalam sel volta, elektrode tempat oksidasi terjadi adalah anode. Zn teroksidasi menjadi Zn²⁺, sehingga elektrode seng (Zn) adalah anode.
  Opsi ini benar.
  
  
• Opsi B: Konsentrasi Ag⁺ meningkat saat sel beroperasi
  Di katode, Ag⁺ direduksi menjadi Ag, sehingga konsentrasi Ag⁺ menurun (bukan meningkat) saat sel beroperasi.
  Opsi ini salah.
  
  
• Opsi C: Massa elektrode seng meningkat saat sel beroperasi
  Di anode, Zn teroksidasi menjadi Zn²⁺, yang larut ke larutan, sehingga massa elektrode seng menurun (bukan meningkat).
  Opsi ini salah.
  
  
• Opsi D: Elektron mengalir melalui rangkaian eksternal dari elektrode perak ke elektrode seng
  Elektron mengalir dari anode (Zn, tempat oksidasi) ke katode (Ag, tempat reduksi) melalui rangkaian eksternal. Jadi, aliran elektron dari seng ke perak, bukan sebaliknya.
  Opsi ini salah.

Kesimpulan
Hanya pernyataan A yang benar, karena elektrode seng adalah anode tempat oksidasi terjadi.

Jawaban yang benar adalah A.

Soal #39

Sampel 1,000 g senyawa emas dielektrolisis secara menyeluruh untuk mengendapkan semua emas yang ada di katode. Proses ini membutuhkan 4700 s elektrolisis dengan arus konstan 0,130 A. Senyawa apa ini?

1. LiAuCl₂ (M = 274,8)
2. LiAuCl₄ (M = 345,7)
3. CsAuCl₂ (M = 400,8)
4. CsAuCl₄ (M = 471,7)

Penyelesaian Soal #39

Sampel 1,000 g senyawa emas dielektrolisis dengan arus 0,130 A selama 4700 s, menggunakan total muatan Q = I × t = 0,130 × 4700 = 611 C.

Elektrolisis ini mengendapkan semua emas di katode.

Kita gunakan hukum Faraday untuk menentukan senyawa berdasarkan jumlah elektron (n) per atom emas dan massa molar (M).

Langkah 1: Hitung Mol Elektron
Konstanta Faraday F = 96485 C/mol.
Mol elektron = |Q//F| = |611//96485| ≈ 0,00633 mol.

Langkah 2: Massa Emas yang Diendapkan
Massa emas (m_Au) = (mol Au) × M_Au, dengan M_Au = 197 g/mol.
Mol Au = |mol elektron//n|, di mana n adalah jumlah elektron per Au (n=1 untuk Au(I), n=3 untuk Au(III)).
m_Au = |0,00633//n| × 197 ≈ |1,247//n| g.

Langkah 3: Fraksi Massa Emas dalam Senyawa
m_Au = 1,000 × |197//M|
Jadi, |197//M| = |1,247//n| → M ≈ 158 × n.

Langkah 4: Evaluasi Opsi

1. LiAuCl₂ (M=274,8, Au(I), n=1): M ≈ 158 × 1 = 158 ≠ 274,8.
   Q_req ≈ 351 C ≠ 611.
   
   
2. LiAuCl₄ (M=345,7, Au(III), n=3): M ≈ 158 × 3 = 474 ≠ 345,7.
   Q_req ≈ 837 C ≠ 611.
   
   
3. CsAuCl₂ (M=400,8, Au(I), n=1): M ≈ 158 ≠ 400,8.
   Q_req ≈ 241 C ≠ 611.
   
   
4. CsAuCl₄ (M=471,7, Au(III), n=3): M ≈ 474 ≈ 471,7.
   Q_req ≈ 614 C ≈ 611 (dekat, perbedaan karena pembulatan).

Kesimpulan
Opsi D paling cocok, karena Q_req mendekati 611 C untuk n=3 dan M=471,7.

Jawaban yang benar adalah D.

Soal #40

Faktor mana yang berkontribusi pada ketidakefisienan perangkat fotovoltaik berbasis silikon dalam memanen energi cahaya matahari?

I. Foton dengan energi lebih kecil dari celah pita silikon tidak diserap oleh perangkat.
II. Energi hilang sebagai panas ketika foton dengan energi lebih besar dari celah pita silikon diserap oleh perangkat.

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

Penyelesaian Soal #40

Soal ini meminta kita menentukan faktor yang berkontribusi pada ketidakefisienan perangkat fotovoltaik berbasis silikon dalam memanen energi cahaya matahari, dengan mempertimbangkan dua pernyataan:
(I) Foton dengan energi lebih kecil dari celah pita silikon tidak diserap, dan
(II) Energi hilang sebagai panas ketika foton dengan energi lebih besar dari celah pita diserap.

Kita akan menganalisis kedua pernyataan berdasarkan prinsip kerja sel fotovoltaik silikon.

Langkah 1: Memahami Sel Fotovoltaik Silikon

Sel fotovoltaik silikon mengubah energi cahaya matahari menjadi listrik melalui efek fotovoltaik.

Silikon memiliki celah pita (band gap) sekitar 1,1 eV.

Foton yang diserap harus memiliki energi yang cukup untuk memindahkan elektron dari pita valensi ke pita konduksi, menghasilkan pasangan elektron-lubang.

Ketidakefisienan terjadi jika energi foton tidak dimanfaatkan secara optimal.

Langkah 2: Analisis Pernyataan

• Pernyataan I: Foton dengan energi lebih kecil dari celah pita silikon tidak diserap oleh perangkat.
  
  Foton dengan energi kurang dari 1,1 eV (misalnya, sebagian besar cahaya inframerah) tidak memiliki energi cukup untuk mengeksitasi elektron melintasi celah pita silikon.
  
  Akibatnya, foton ini tidak diserap dan tidak berkontribusi pada pembangkitan listrik.
  
  Ini adalah salah satu sumber utama ketidakefisienan, karena sebagian spektrum matahari (energi rendah) tidak dimanfaatkan.
  
  Pernyataan I benar.
  
  
• Pernyataan II: Energi hilang sebagai panas ketika foton dengan energi lebih besar dari celah pita silikon diserap oleh perangkat.
  
  Foton dengan energi lebih besar dari 1,1 eV (misalnya, cahaya tampak atau ultraviolet) dapat mengeksitasi elektron, tetapi energi berlebih (di atas 1,1 eV) tidak diubah menjadi listrik.
  
  Elektron yang tereksitasi ke tingkat energi lebih tinggi di pita konduksi akan kehilangan energi berlebih ini melalui relaksasi termal (sebagai panas) saat kembali ke tepi pita konduksi.
  
  Ini disebut kerugian termalisasi, yang merupakan sumber utama ketidakefisienan dalam sel silikon, terutama untuk foton berenergi tinggi.
  
  Pernyataan II benar.

Langkah 3: Evaluasi Opsi

• Opsi A (Hanya I): Salah, karena II juga benar.
  
  
• Opsi B (Hanya II): Salah, karena I juga benar.
  
  
• Opsi C (Keduanya I dan II): Benar, karena kedua faktor berkontribusi pada ketidakefisienan.
  
  
• Opsi D (Bukan I maupun II): Salah, karena keduanya benar.

Kesimpulan
Kedua pernyataan benar: (I) foton dengan energi di bawah celah pita silikon (~1,1 eV) tidak diserap, dan (II) energi berlebih dari foton di atas celah pita hilang sebagai panas.

Keduanya adalah faktor utama ketidakefisienan sel fotovoltaik silikon.

Jawaban yang benar adalah C.

Soal #41

Potensial reduksi standar E° untuk reduksi permanganat menjadi mangan(II) dalam larutan asam adalah 1,51 V pada 298 K. Berapa nilai E untuk setengah reaksi pada 298 K pada konsentrasi yang diberikan?

MnO₄^-(aq, 0,0100 M) + 8 H⁺(aq, 0,200 M) + 5 e^- → Mn²⁺(aq, 0,0200 M) + 4 H₂O(l)

1. 1,16 V
2. 1,44 V
3. 1,50 V
4. 1,51 V

Penyelesaian Soal #41

Potensial reduksi standar E° untuk reduksi MnO₄^- menjadi Mn²⁺ dalam larutan asam adalah 1,51 V.

Kita harus menghitung E pada konsentrasi:
[MnO₄^-] = 0,0100 M, [H⁺] = 0,200 M, [Mn²⁺] = 0,0200 M, pada 298 K.

Gunakan persamaan Nernst untuk setengah reaksi:
MnO₄^- + 8 H⁺ + 5 e^- → Mn²⁺ + 4 H₂O.

Langkah 1: Persamaan Nernst
E = E° - |0,0591//n| log Q,
di mana n = 5, Q = [Mn²⁺] / ([MnO₄^-] [H⁺]⁸).

Langkah 2: Hitung Q
[H⁺]⁸ = (0,200)⁸ = 2,56 × 10^-6.
[MnO₄^-] × [H⁺]⁸ = 0,0100 × 2,56 × 10^-6 = 2,56 × 10^-8.
Q = 0,0200 / 2,56 × 10^-8 = 7,81 × 10⁵.

Langkah 3: Hitung log Q
log(7,81 × 10⁵) ≈ 5,893.

Langkah 4: Hitung E
|0,0591//5| ≈ 0,01182.
0,01182 × 5,893 ≈ 0,0696 V.
E = 1,51 - 0,0696 ≈ 1,44 V.

Jawaban yang benar adalah B.

Soal #42

Berapa potensial reduksi standar E° untuk reduksi hidrogen selenat menjadi hidrogen selenida?

HSeO₄^-(aq) + 9 H⁺(aq) + 8 e^- → H₂Se(aq) + 4 H₂O(l)

Setengah reaksi	E°, V
HSeO4-(aq) + 3 H+(aq) + 2 e- → H2SeO3(aq) + H2O(l)	1,15
H2SeO3(aq) + 4 H+(aq) + 4 e- → Se(s) + 3 H2O(l)	0,74
Se(s) + 2 H+(aq) + 2 e- → H2Se(aq)	-0,11

1. 0,30 V
2. 0,63 V
3. 0,71 V
4. 1,78 V

Penyelesaian Soal #42

Soal ini meminta kita menghitung potensial reduksi standar (E°) untuk reaksi reduksi: HSeO₄^-(aq) + 9 H⁺(aq) + 8 e^- → H₂Se(aq) + 4 H₂O(l), menggunakan data potensial standar dari tiga setengah reaksi yang diberikan.

Kita akan menggabungkan setengah reaksi tersebut dengan menggunakan hubungan termodinamika (ΔG° = -nFE°) untuk menghitung E° total.

Langkah 1: Tulis Setengah Reaksi dan E°
Reaksi yang diberikan dapat dipecah menjadi tiga langkah reduksi berturut-turut:
1. HSeO₄^-(aq) + 3 H⁺(aq) + 2 e^- → H₂SeO₃(aq) + H₂O(l), E° = 1,15 V.
2. H₂SeO₃(aq) + 4 H⁺(aq) + 4 e^- → Se(s) + 3 H₂O(l), E° = 0,74 V.
3. Se(s) + 2 H⁺(aq) + 2 e^- → H₂Se(aq), E° = -0,11 V.
Reaksi total: HSeO₄^- + 9 H⁺ + 8 e^- → H₂Se + 4 H₂O.

Langkah 2: Verifikasi Reaksi Total
Gabungkan reaksi:
- Reaksi 1: HSeO₄^- + 3 H⁺ + 2 e^- → H₂SeO₃ + H₂O.
- Reaksi 2: H₂SeO₃ + 4 H⁺ + 4 e^- → Se + 3 H₂O.
- Reaksi 3: Se + 2 H⁺ + 2 e^- → H₂Se.
Total: HSeO₄^- + 3 H⁺ + 4 H⁺ + 2 H⁺ + (2 + 4 + 2) e^- → H₂SeO₃ + H₂O + Se + 3 H₂O + H₂Se.
Sederhanakan: HSeO₄^- + 9 H⁺ + 8 e^- → H₂Se + 4 H₂O (H₂SeO₃ dan Se saling meniadakan, air = 1 + 3 = 4). Reaksi seimbang.

Langkah 3: Hitung E° Total
Gunakan hubungan ΔG° = -nFE°, di mana ΔG° total = Σ ΔG°_i.
Untuk reaksi gabungan, ΔG° = -n_totalF E°_total, dengan n_total = 8.

ΔG°₁ = -2 × F × 1,15 = -2,30 F.
ΔG°₂ = -4 × F × 0,74 = -2,96 F.
ΔG°₃ = -2 × F × (-0,11) = 0,22 F.

ΔG°_total = ΔG°₁ + ΔG°₂ + ΔG°₃ = -2,30 F - 2,96 F + 0,22 F = -5,04 F.
ΔG°_total = -8 F E°_total.
-8 F E°_total = -5,04 F → E°_total = |5,04//8| = 0,63 V.

Langkah 4: Evaluasi Opsi
A. 0,30 V: Terlalu rendah.
B. 0,63 V: Sesuai dengan perhitungan.
C. 0,71 V: Terlalu tinggi.
D. 1,78 V: Terlalu tinggi.

Kesimpulan
Potensial reduksi standar untuk reduksi HSeO₄^- menjadi H₂Se adalah 0,63 V.

Jawaban yang benar adalah B.

Soal #43

Dalam golongan apa atom dengan energi ionisasi berikut berada?

IE1, kJ mol-1	IE2, kJ mol-1	IE3, kJ mol-1	IE4, kJ mol-1
738	1450	7730	10500

1. Golongan 1
2. Golongan 2
3. Golongan 3
4. Golongan 13

Penyelesaian Soal #43

Soal ini meminta kita menentukan golongan atom berdasarkan energi ionisasi (IE) yang diberikan: IE₁ = 738 kJ mol^-1, IE₂ = 1450 kJ mol^-1, IE₃ = 7730 kJ mol^-1, IE₄ = 10500 kJ mol^-1.

Energi ionisasi adalah energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari atom atau ion dalam fase gas.

Golongan atom ditentukan oleh jumlah elektron valensi, yang biasanya terlihat dari lompatan besar dalam energi ionisasi setelah elektron valensi dilepaskan, karena elektron berikutnya berasal dari kulit yang lebih dalam.

Mari kita analisis langkah demi langkah.

Langkah 1: Analisis Pola Energi Ionisasi
Energi ionisasi meningkat secara bertahap saat elektron dilepaskan dari kulit yang sama, tetapi melonjak tajam saat elektron berasal dari kulit yang lebih dalam (lebih terikat). Data yang diberikan:

• IE₁ = 738 kJ mol^-1 (melepaskan elektron valensi pertama).
  
  
• IE₂ = 1450 kJ mol^-1 (melepaskan elektron valensi kedua, kira-kira dua kali IE₁, masih dalam kulit valensi).
  
  
• IE₃ = 7730 kJ mol^-1 (lonjakan besar, ~5 kali IE₂, menunjukkan elektron dari kulit yang lebih dalam).
  
  
• IE₄ = 10500 kJ mol^-1 (meningkat lagi, tetapi tidak relevan untuk golongan valensi).

Lonjakan besar antara IE₂ (1450) dan IE₃ (7730) menunjukkan bahwa dua elektron pertama adalah elektron valensi (dari kulit terluar), sedangkan elektron ketiga berasal dari kulit yang lebih stabil (kulit dalam).

Ini menunjukkan atom memiliki dua elektron valensi, yang konsisten dengan atom pada Golongan 2 (logam alkali tanah).

Langkah 2: Perbandingan dengan Data Golongan
Untuk memastikan, kita bandingkan IE₁ dan IE₂ dengan data energi ionisasi elemen Golongan 2, Golongan 1, Golongan 3, dan Golongan 13 (berdasarkan nilai tipikal):

• Golongan 1 (alkali): 1 elektron valensi, IE₁ rendah (misalnya, Na: ~496 kJ mol^-1), IE₂ sangat tinggi (misalnya, Na: ~4562 kJ mol^-1). Tidak cocok, karena lompatan besar terjadi setelah IE₁, bukan IE₂.
  
  
• Golongan 2 (alkali tanah): 2 elektron valensi, IE₁ dan IE₂ relatif rendah, lompatan besar pada IE₃. Contoh:
  
  Magnesium (Mg, Z=12): IE₁ = 738 kJ mol^-1, IE₂ = 1451 kJ mol^-1, IE₃ = 7733 kJ mol^-1, IE₄ = 10540 kJ mol^-1.
  
  Nilai ini sangat cocok dengan data soal (738, 1450, 7730, 10500), menunjukkan atom ini kemungkinan Mg atau elemen Golongan 2 lainnya.
  
  
• Golongan 3 (misalnya, Sc, Z=21): 3 elektron valensi (d¹s²), lompatan besar setelah IE₃. Contoh: Sc: IE₁ = 633, IE₂ = 1235, IE₃ = 2389, IE₄ = 7091. Lompatan besar pada IE₄, tidak cocok.
  
  
• Golongan 13 (misalnya, B, Al): 3 elektron valensi (s²p¹). Contoh: Al: IE₁ = 577, IE₂ = 1817, IE₃ = 2745, IE₄ = 11577. Lompatan besar setelah IE₃, tetapi IE₃ jauh lebih rendah dari 7730. Tidak cocok.
  
  Data soal sangat sesuai dengan Golongan 2, khususnya magnesium.

Langkah 3: Evaluasi Opsi

• Opsi A (Golongan 1): Salah, karena hanya 1 elektron valensi, lompatan besar setelah IE₁.
  
  
• Opsi B (Golongan 2): Benar, karena 2 elektron valensi, lompatan besar setelah IE₂, cocok dengan data.
  
  
• Opsi C (Golongan 3): Salah, karena lompatan besar setelah IE₃.
  
  
• Opsi D (Golongan 13): Salah, karena lompatan besar setelah IE₃, dan nilai IE tidak cocok.

Kesimpulan
Berdasarkan pola energi ionisasi (lompatan besar antara IE₂ = 1450 dan IE₃ = 7730), atom ini memiliki dua elektron valensi, menempatkannya di Golongan 2. Nilai IE sangat mirip dengan magnesium, mengkonfirmasi Golongan 2.

Jawaban yang benar adalah B.

Soal #44

Dalam atom Sb fase gas keadaan dasar, berapa banyak elektron yang memiliki bilangan kuantum n = 5, l = 1, dan m_l = 0?

1. 1
2. 2
3. 3
4. 6

Penyelesaian Soal #44

Soal ini meminta kita menghitung jumlah elektron dalam atom antimon (Sb) pada keadaan dasar yang memiliki bilangan kuantum n = 5, l = 1, dan m_l = 0.

Antimon (Sb) memiliki nomor atom 51, yang berarti memiliki 51 elektron dalam keadaan netral.

Bilangan kuantum n (utama), l (momentum sudut), m_l (magnetik), dan m_s (spin) menentukan orbital dan elektron. Mari kita analisis langkah demi langkah.

Langkah 1: Konfigurasi Elektron Antimon
Konfigurasi elektron antimon pada keadaan dasar adalah:
[Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p³

• [Kr] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ (36 elektron).
• 4d¹⁰: 10 elektron.
• 5s²: 2 elektron.
• 5p³: 3 elektron.

Total = 36 + 10 + 2 + 3 = 51 elektron.
Kita fokus pada elektron dengan n = 5, yaitu orbital 5s (l = 0) dan 5p (l = 1).

Langkah 2: Identifikasi Orbital dengan n = 5, l = 1

• n = 5, l = 1 menunjukkan orbital 5p.
• Orbital p (l = 1) memiliki tiga suborbital dengan m_l = -1, 0, +1.
• Konfigurasi 5p³ berarti ada 3 elektron di orbital 5p, yang menempati tiga suborbital sesuai prinsip Aufbau dan hukum Hund (satu elektron per suborbital sebelum berpasangan).

Langkah 3: Hitung Elektron dengan m_l = 0
Dalam orbital 5p (l = 1), terdapat tiga suborbital:

• m_l = -1: 1 elektron.
• m_l = 0: 1 elektron.
• m_l = +1: 1 elektron.

Suborbital dengan m_l = 0 menampung 1 elektron (karena 5p³ berarti setiap suborbital terisi satu elektron).

Setiap elektron memiliki bilangan kuantum spin m_s = +1/2 atau -1/2, tetapi soal hanya menanyakan n, l, dan m_l, sehingga kita fokus pada m_l = 0, yang memiliki 1 elektron.

Langkah 4: Verifikasi Orbital Lain

• Orbital 5s (n = 5, l = 0) memiliki m_l = 0 (hanya satu suborbital), tetapi l = 0, tidak memenuhi syarat l = 1.
  
  
• Orbital lain (4d, dll.) memiliki n ≠ 5, sehingga tidak relevan.

Jadi, hanya orbital 5p yang memenuhi n = 5, l = 1, dan hanya suborbital m_l = 0 yang memiliki 1 elektron.

Langkah 5: Evaluasi Opsi

• Opsi A (1): Sesuai, karena suborbital 5p dengan m_l = 0 memiliki 1 elektron.
  
  
• Opsi B (2): Tidak mungkin, karena suborbital m_l = 0 hanya menampung maksimal 2 elektron (jika penuh), tetapi 5p³ hanya memiliki 1 elektron per suborbital.
  
  
• Opsi C (3): Tidak mungkin, karena hanya ada 3 elektron di 5p, dan m_l = 0 hanya 1 elektron.
  
  
• Opsi D (6): Tidak mungkin, karena orbital 5p total hanya memiliki 3 elektron.

Kesimpulan
Dalam atom Sb pada keadaan dasar, hanya 1 elektron yang memiliki bilangan kuantum n = 5, l = 1, dan m_l = 0, yaitu elektron dalam suborbital 5p dengan m_l = 0.

Jawaban yang benar adalah A.

Soal #45

Dua orbital atom memiliki jumlah simpul radial yang sama dan bilangan kuantum magnetik m_l yang sama. Bilangan kuantum lain apa yang harus dimiliki bersama oleh orbital-orbital ini?

I. Bilangan kuantum utama n
II. Bilangan kuantum momentum sudut l

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

Penyelesaian Soal #45

Soal ini meminta kita menentukan bilangan kuantum apa yang harus dimiliki bersama oleh dua orbital atom yang memiliki jumlah simpul radial sama dan bilangan kuantum magnetik m_l sama.

Bilangan kuantum yang dimaksud adalah I. n (bilangan kuantum utama) dan II. l (bilangan kuantum momentum sudut).

Orbital atom ditentukan oleh bilangan kuantum n, l, m_l, dan m_s.

Jumlah simpul radial diberikan oleh rumus n - l - 1.

Jika jumlah simpul radial sama, maka n - l - 1 sama, atau n - l sama. m_l memiliki rentang -l hingga +l, jadi m_l sama tidak mengharuskan l sama, asal |m_l| ≤ l untuk keduanya.

Langkah 1: Analisis Persyaratan
- Jumlah simpul radial sama: n₁ - l₁ - 1 = n₂ - l₂ - 1 → n₁ - l₁ = n₂ - l₂.
- m_l sama: m_l1 = m_l2, dengan |m_l| ≤ l₁ dan |m_l| ≤ l₂.

Dari ini, n dan l tidak harus sama, asal selisih n - l sama, dan l cukup besar untuk mendukung m_l tersebut.

Langkah 2: Contoh
Pertimbangkan orbital 3p: n=3, l=1, simpul radial = 3-1-1=1, m_l = -1,0,1.
Orbital 4d: n=4, l=2, simpul radial =4-2-1=1, m_l = -2,-1,0,1,2.

Kedua orbital memiliki simpul radial 1 dan bisa memiliki m_l=0 (misalnya). Di sini, n berbeda (3 vs 4), l berbeda (1 vs 2), tapi kondisi terpenuhi. Jadi, n dan l tidak harus sama.

Langkah 3: Evaluasi Pernyataan
- I. Bilangan kuantum utama n: Tidak harus sama, seperti pada contoh (n=3 dan n=4).
- II. Bilangan kuantum momentum sudut l: Tidak harus sama, seperti pada contoh (l=1 dan l=2).
Oleh karena itu, bukan I maupun II yang harus dimiliki bersama.

Jawaban yang benar adalah D.