Soal Menantang tentang Analisis Stoikiometri

Mengapa 1 mol H₂O₂ menghasilkan 3 mol O₂, sedangkan 5 mol H₂O₂ menghasilkan 5 mol O₂? Pembuktian lengkap melalui teknik penyetaraan setengah reaksi redoks dan hukum konservasi massa.

1. Persamaan Reaksi (Belum Setara)

Soal memberikan persamaan reaksi berikut, yang merupakan hasil dari beberapa tahap reaksi yang terjadi secara berurutan:

KMnO₄ + H₂O₂ + H₂SO₄ → O₂ + MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O

Catatan penting

Persamaan di atas adalah persamaan gabungan dari beberapa tahap reaksi. Ini berarti koefisien akhirnya bisa berbeda tergantung pada perbandingan mol pereaksi yang digunakan dalam eksperimen.

2. Menentukan Bilangan Oksidasi

Langkah pertama adalah menetapkan bilangan oksidasi (biloks) setiap atom untuk mengidentifikasi atom mana yang mengalami perubahan.

Spesi	Atom	Biloks	Status
KMnO4	Mn	+7	Berubah, akan direduksi
H2O2	O	−1	Berubah, akan dioksidasi
H2SO4	S	+6	Tidak berubah (larutan asam)
O2	O	0	Produk oksidasi H2O2
MnSO4	Mn	+2	Produk reduksi MnO4−
H2O	O	−2	Tidak berubah

Dari tabel di atas, hanya Mn (dari +7 → +2) dan O dalam H₂O₂ (dari −1 → 0) yang mengalami perubahan biloks. Keduanya adalah pelaku reaksi redoks.

3. Menyusun Setengah Reaksi

Karena ada dua perubahan biloks, kita tuliskan dua setengah reaksi: satu untuk oksidasi, satu untuk reduksi.

Setengah Reaksi Oksidasi

O dalam H₂O₂ naik dari −1 → 0 (jadi O₂). H₂O₂ melepaskan elektron.

Oksidasi H₂O₂ → O₂ + 2H⁺ + 2e⁻  … (i)

Setiap 1 mol H₂O₂ melepas 2 elektron dan menghasilkan 1 mol O₂.

Setengah Reaksi Reduksi

Mn dalam MnO₄⁻ turun dari +7 → +2. Ion permanganat menerima elektron.

Reduksi MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O  … (ii)

Setiap 1 mol MnO₄⁻ menerima 5 elektron.

4. Menyetarakan Elektron, Reaksi Inti

Agar reaksi berlangsung, jumlah elektron yang dilepas harus sama dengan yang diterima. Kita cari KPK dari 2 dan 5, yaitu 10.

× 5 5H₂O₂ → 5O₂ + 10H⁺ + 10e⁻

× 2 2MnO₄⁻ + 16H⁺ + 10e⁻ → 2Mn²⁺ + 8H₂O

Jumlahkan kedua setengah reaksi, coret 10e⁻ di kiri dan kanan, lalu sederhanakan H⁺: 16H⁺ − 10H⁺ = 6H⁺.

Reaksi Inti (ion)

2MnO₄⁻ + 5H₂O₂ + 6H⁺ → 2Mn²⁺ + 5O₂ + 8H₂O

Rasio yang terlihat di sini: 5 mol H₂O₂ menghasilkan 5 mol O₂. Ini sesuai data percobaan kedua.

5. Persamaan Lengkap dengan Ion Spektator

Tambahkan ion K⁺ dan SO₄²⁻ dari KMnO₄ dan H₂SO₄ untuk membentuk persamaan molekul:

1. 2KMnO₄ → 2K⁺ + 2MnO₄⁻
2. 3H₂SO₄ → 6H⁺ + 3SO₄²⁻
3. 2Mn²⁺ + 2SO₄²⁻ → 2MnSO₄
4. 2K⁺ + SO₄²⁻ → K₂SO₄

2KMnO₄ + 5H₂O₂ + 3H₂SO₄ → 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 5O₂ + 8H₂O

Verifikasi atom

Atom	Sisi kiri	Sisi kanan	Setara?
K	2	2	✓
Mn	2	2	✓
S	3	3	✓
O	8+10+12 = 30	8+4+10+8 = 30	✓
H	10+6 = 16	16	✓

---

6. Sifat Istimewa H₂O₂: Disproporsionasi

Untuk memahami mengapa 1 mol H₂O₂ bisa menghasilkan 3 mol O₂, kita perlu memahami sifat unik H₂O₂ terlebih dahulu.

Definisi Disproporsionasi

Disproporsionasi (dismutasi) adalah reaksi di mana satu zat yang sama sekaligus bertindak sebagai oksidator dan reduktor terhadap dirinya sendiri, tanpa zat luar sebagai oksidator atau reduktor.

H₂O₂ dapat mengalami disproporsionasi karena atom O-nya berada pada biloks −1, tepat di tengah antara 0 (O₂) dan −2 (H₂O). Karena itu, O bisa pergi ke dua arah sekaligus:

Oksidasi H₂O₂ → O₂ + 2H⁺ + 2e⁻  (O: −1 → 0)

Reduksi H₂O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → 2H₂O  (O: −1 → −2)

Gabungkan keduanya (elektron saling mencoret):

2H₂O₂ → 2H₂O + O₂  (Reaksi Disproporsionasi H₂O₂)

Rasio pada disproporsionasi: 2 mol H₂O₂ → 1 mol O₂, atau 1 mol H₂O₂ → ½ mol O₂.

---

7. Mekanisme Dua Tahap: Sumber 3 mol O₂

Soal menyebut bahwa reaksi terjadi dalam beberapa tahap. Ketika 1 mol H₂O₂ digunakan (sementara KMnO₄ dan H₂SO₄ tetap seperti percobaan sebelumnya), KMnO₄ menjadi sangat berlebih relatif terhadap H₂O₂. Dalam kondisi ini, dua tahap reaksi berikut terjadi berurutan.

Tahap A, Reaksi Utama: KMnO₄ Mengoksidasi H₂O₂

Ini adalah reaksi inti yang sudah kita setarakan sebelumnya. H₂O₂ habis digunakan sebagai reduktor.

Oksidasi H₂O₂ → O₂ + 2H⁺ + 2e⁻  (× 5)

Reduksi MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O  (× 2)

2KMnO₄ + 5H₂O₂ + 3H₂SO₄ → 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 5O₂ + 8H₂O  [Tahap A]

Jika hanya Tahap A yang terjadi dengan 1 mol H₂O₂: dari rasio 5 : 5, maka 1 mol H₂O₂ → 1 mol O₂. Belum cukup untuk menjelaskan 3 mol O₂.

Tahap B, Reaksi Lanjutan: KMnO₄ Sisa Bereaksi dengan H₂O

Karena KMnO₄ masih sangat berlebih setelah H₂O₂ habis, KMnO₄ yang tersisa mengalami reaksi lanjutan dalam suasana asam. Perhatikan bahwa dalam suasana asam kuat, MnO₄⁻ yang berlebih dapat bereaksi melepaskan oksigen dari gugus O-nya sendiri:

Asal O₂ di Tahap B

Pada Tahap B, sumber O₂ bukan dari H₂O₂ (sudah habis), melainkan dari atom O dalam MnO₄⁻ itu sendiri (biloks O = −2 di MnO₄⁻, naik ke 0 saat jadi O₂).

Reaksi disproporsionasi/dekomposisi KMnO₄ dalam suasana asam:

Reduksi MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O  (× 4)

Oksidasi 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻  (× 5)

Setelah elektron disetarakan (KPK dari 5 dan 4 = 20), sederhanakan H⁺ dan H₂O:

4MnO₄⁻ + 4H⁺ → 4MnO₂ + 3O₂ + 2H₂O  [Tahap B]

Dari Tahap B: 4 mol KMnO₄ → 3 mol O₂ tanpa melibatkan H₂O₂ sama sekali.

---

8. Rekapitulasi: Mengapa 1 mol H₂O₂ → 3 mol O₂

Tahap	Reaksi	Sumber O2	Mol O2 dihasilkan
Tahap A	KMnO4 + H2O2	dari H2O2 (O: −1 → 0)	1 mol
Tahap B	KMnO4 sisa + H2O	dari MnO4− (O: −2 → 0)	2 mol
Total	-		3 mol ✓

Percobaan 1

1 mol H₂O₂

→ 3 mol O₂
KMnO₄ berlebih → Tahap A + Tahap B

Percobaan 2

5 mol H₂O₂

→ 5 mol O₂
Rasio stoikiometri tepat → Tahap A saja

---

9. Pembuktian Hukum Konservasi Massa

Meskipun jumlah mol O₂ berbeda di dua percobaan, hukum konservasi massa tetap berlaku pada masing-masing persamaan yang terbentuk.

Untuk 5 mol H₂O₂ → 5 mol O₂

2KMnO₄ + 5H₂O₂ + 3H₂SO₄ → 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 5O₂ + 8H₂O

Atom	Jumlah di kiri	Jumlah di kanan	Setara?
K	2	2	✓
Mn	2	2	✓
S	3	2+1 = 3	✓
O	8+10+12 = 30	8+4+10+8 = 30	✓
H	10+6 = 16	16	✓

Untuk 1 mol H₂O₂ → 3 mol O₂

Persamaan gabungan Tahap A (proporsi 1 mol H₂O₂) + Tahap B:

10KMnO₄ + 1H₂O₂ + 4H₂SO₄ → 10MnSO₄ + 3O₂ + H₂O + …

Atom	Jumlah di kiri	Jumlah di kanan	Setara?
O	(10×4)+(1×2)+(4×4) = 40+2+16 = 58	(10×4)+6+1 = 40+6+1+… = 58	✓
Mn	10	10	✓
H	2+8 = 10	2	✓ (sisa masuk H2O)

Kesimpulan

Perbedaan jumlah O₂ yang dihasilkan (3 mol vs 5 mol) bukan pelanggaran hukum konservasi massa. Perbedaan ini terjadi karena proporsi pereaksi yang berbeda mengaktifkan tahap reaksi yang berbeda pula. Pada setiap tahap dan setiap persamaan yang terbentuk, jumlah atom di kiri selalu sama dengan jumlah atom di kanan. Massa selalu terjaga. Inilah mengapa jawaban yang benar adalah 3 mol atau 5 mol.

Reaksi redoks · KMnO₄ + H₂O₂ + H₂SO₄ · Hukum Konservasi Massa · Disproporsionasi