Perhatikan saat kita membakar sebuah kayu. Sepintas dapat kita lihat bahwa massa abu dan arang hasil pembakaran lebih kecil daripada massa kayu sebelum dibakar. Namun, apakah peristiwa pembakaran tersebut berpengaruh pada pengurangan massa kayunya? 

Antoine Laurent Lavoisier telah menyelidiki massa zat-zat sebelum dan sesudah reaksi. Lavoisier menimbang zat sebelum bereaksi, kemudian menimbang hasil reaksinya. Ternyata massa zat sebelum dan sesudah reaksi selalu sama.

Perubahan materi yang kita amati dalam kehidupan sehari-hari umumnya berlangsung dalam wadah terbuka. Apabila  terdapat zat-zat hasil reaksi yang berupa gas maka akan berpindah ke udara sehingga zat yang tertinggal, massanya menjadi lebih ringan daripada massa semula. Tetapi jika gas yang dihasilkan pada pembakaran kayu juga ditimbang massanya, maka akan didapat massa zat-zat hasil reaksi akan sama dengan massa zat-zat sebelum reaksi.

Suatu reaksi kimia yang berlangsung dalam wadah tertutup, memiliki massa reaktan dan massa produk yang sama karena tidak ada materi yang dapat masuk atau keluar dari wadah. Fakta bahwa massa zat-zat kekal, pada awalnya belum diketahui karena keterlibatan gas dalam reaksi yang belum dipahami (Simak Teori Phlogiston). Sekitar abad 18, seorang ilmuwan asal perancis bernama Antoine Laurent Lavoisier mulai melakukan penelitian. Lavoisier percaya pentingnya pengamatan kuantitatif, sehingga berhasil menjelaskan keterlibatan gas dalam reaksi kimia.

Lavoisier mengulang eksperimen oleh Priestley. Ia memanaskan sebanyak 530 gram merkuri dalam wadah tertutup  yang terhubung  dengan udara dalam silinder ukur. di akhir eksperimen, ternyata volume udara dalam silinder terlah berkurang sebanyak 1/5 bagian.  Sedangkan merkuri berubah menjadi calx merkuri dengan massa sebesar 572,4 gram; atau terjadi pertambahan massa sebesar 42,4 gram. besarnya pertambahan ini ternyata sama dengan massa 1/5 bagian udara yang berkurang dalam silinder.               

Dari reaksi ini, Lavoisier mengamati total massa zat-zat sebelum reaksi sama dengan total massa zat-zat sesudah reaksi. Kemudian, ia memanaskan kembali calx merkuri yang dihasilkan dengan panas yang lebih  besar. Di akhir reaksi, ia memperoleh lagi logam merkuri dan 1/5 bagian udara yang hilang tadi, dengan total massa sama dengan calx  merkuri. Ia menyadari bahwa 1/5 bagian udara tersebut adalah udara tanpa phlogiston yang dimaksud Priestley, yang dilepas calx merkuri dalam reaksinya membentuk logam merkuri. Lavoisier menamakan 1/5 bagian udara, yang terbentuk dalam reaksi tesebut sebagai oksigen. 

Hasil eksperimen Lavoisier ini berhasil mengoreksi pengamatan Priestley, sekaligus meruntuhkan Teori Phlogiston. Dari eksperimen ini dan banyak eksperimen lainnya, Lavoisier menemukan bahwa didalam suatu reaksi kimia tidak terjadi perubahan massa zat-zat. Menurutnya, reaksi kimia dapat menyusun ulang unsur-unsur yang ada dalam zat-zat yang bereaksi, tetapi tidak menghancurkan massa yang terlibat dalam reaksi tersebut. Jadi, massa zat tidak bisa diciptakan maupun dimusnahkan, baik dalam proses kimia maupun fisika. Hasil akhir reaksi menyatakan bahwa dalam ruang tertutup, zat-zat akan memiliki massa yang sama dengan zat-zat penyusunnya. 

Melalui percobaan ini, Lavoisier menemukan fakta bahwa massa reaktan sama dengan massa produk. Oleh karena itu Lavoisier mengambil sebuah kesimpulan yang selanjutnya dikenal dengan hukum kekekalan massa yang berbunyi:

 “Dalam sistem tertutup, total massa zat sebelum dan sesudah reaksi adalah sama”

Teori Phlogiston

Pada awalnya para ahli kimia mengamati adanya perubahan massa yang terjadi dalam reaksi kimia berupa pembakaran. Cukup lama para ahli tidak dapat menjelaskan hal ini sampai munculnya teori phlogiston. Ide awal teori phlogiston berasal dari Johann Joachim Becker (1635-1682) yang kemudian menarik perhatian George Ernst Stahl (1660-1734). Phlogiston merupakan konsep kimia yang dominan pada masa itu karena konsep ini tampaknya menjelaskan banyak hal dengan cara yang sederhana. Stahl percaya bahwa setiap zat yang mudah terbakar mengandung komponen api universal, yang ia beri nama Phlogiston, dari kata Yunani yang berarti mudah terbakar. Stahl mengamati bahwa jenis materi yang dapat terbakar bermacam-macam. Oleh karena sama-sama dapat terbakar, maka harus terdapat suatu prinsip umum yang berlaku untuk materi-materi tersebut.

Menurut teori phlogiston, zat yang mudah terbakar seperti logam mengandung banyak phlogiston. Sementara zat yang  tidak mudah terbakar seperti tanah mengandung sedikit phlogiston. Api sendiri dianggap sebagai phlogiston  bebas. Hal ini dirumuskannya dalam teori Phlogiston sebagai berikut.

• semua materi yang dapat terbakar mengandung zat ringan yang disebut phlogiston

• sewaktu materi terbakar, plogiston akan lepas ke udara dan sisa pembakaran tidak mengandung phlogiston lagi.  

Jadi, menurut teori phlogiston, massa produk reaksi akan lebih ringan. Hal ini berdasarkan pengamatan mereka terhadap pembakaran kayu menghasilkan abu dengan massa yang lebih ringan, karena zat yang mudah terbakar kehilangan beratnya saat terbakar. Stahl beralasan bahwa perubahan ini disebabkan oleh hilangnya komponen phlogistonnya ke udara. 

Akan tetapi kesulitan dengan skema ini adalah reaksi sebaliknya, pengamatan pada pembakaran logam menunjukkan bahwa calx logam (sekarang disebut oksida logam) yang terbentuk, ternyata memiliki massa yang lebih berat dibandingkan massa logam sebelum terbakar, bukan kurang, seperti yang diharapkan jika logam telah kehilangan komponen phlogiston. Ketidakkonsistenan ini menyebabkan beberapa ahli phlogiston mencoba berargumen bahwa phlogiston bahkan mungkin dapat mempunyai massa negatif. Dengan demikian, lepasnya phlogiston akan menyebabkan massa produk pembakaran bertambah  berat.

Teori phlogiston juga menyatakan bahwa phlogiston yang  hilang dari materi sewaktu terbakar dapat diperoleh kembali. Caranya adalah dengan mereaksikan materi tersebut dengan materi yang kaya akan phlogiston seperti arang, lemak, fosfor dan wheat. Hal ini didasarkan atas pengamatan pada eksperimen bahwa calx timbal dapat diubah kembali menjadi logam timbal dengan penambahan wheat. Namun demikian, eksperimen dengan logam merkuri menunjukkan bahwa calx merkuri dapat diubah kembali menjadi logam merkuri hanya dengan pemanasan, tanpa harus mereaksikannya dengan zat yang mengandung banyak phlogiston. Ketidakmampuan teori phlogiston dalam menjelaskan reaksi di atas disebabkan sampai abad 18,  para ilmuwan belum memahami keterlibatan gas dalam reaksi kimia.

Keterlibatan gas dalam reaksi kimia

Keterlibatan gas dalam reaksi kimia diawali dari keberhasilan Stephen Hales (1677-1761) merancang alat analisis gas secara kuantitatif. Joseph Blank (1728-1799) menggunakan alat tersebut dalam eksperimen pembakaran batu kapur dan kayu serta mengamati pembentukan gas yang mirip dengan gas sylvestre (gas karbon dioksida). Selanjutnya, seorang ilmuwan bernama Joseph Priestley (1733-1804) melakukan studi sifat-sifat fisis dan kimia berbagai gas. Gas, khususnya yang dihasilkan dari pemanasan calx merkuri, menarik perhatiannya karena materi dapat terbakar lebih hebat dalam gas tersebut. Sayangnya, Priestley adalah seorang pendukung teori phlogiston sehingga ia melakukan interprestasi yang salah terhadap pengamatannya. Ia menamakan gas tersebut udara tanpa phlogiston.

Pembakaran dan Serangan terhadap Phlogiston

Dalam percobaan dengan fosfor dan sulfur, yang keduanya mudah terbakar, Lavoisier menunjukkan bahwa keduanya bertambah berat dengan bergabung dengan udara. Dengan kapur timbal, ia mampu menangkap sejumlah besar udara yang dilepaskan saat kapur dipanaskan. Bagi Lavoisier yang curiga, hasil ini tidak dijelaskan oleh phlogiston.

Meskipun Lavoisier kini menyadari bahwa pembakaran sebenarnya melibatkan udara, komposisi udara yang tepat pada saat itu belum dipahami dengan jelas. Pada bulan Agustus 1774, seorang ilmuwan bernama Joseph Priestley (1733-1804) bertemu dengan Lavoisier di Paris. Priestley melakukan studi sifat-sifat fisis dan kimia berbagai gas. Gas, khususnya yang dihasilkan dari pemanasan calx merkuri, menarik perhatiannya karena materi dapat terbakar lebih hebat dalam gas tersebut. Ia menjelaskan bagaimana memanaskan abu merkuri (bubuk merah) dan mengumpulkan gas yang dapat membakar lilin dengan kuat. Priestley percaya bahwa "udara murni" miliknya meningkatkan respirasi dan menyebabkan lilin menyala lebih lama karena bebas dari phlogiston. Sayangnya, Priestley adalah seorang pendukung teori phlogiston sehingga ia melakukan interprestasi yang salah terhadap pengamatannya. Ia menamakan gas tersebut udara tanpa phlogiston.

Di Paris, Lavoisier yang penasaran mengulangi percobaan Priestley dengan merkuri dan logam lain. Ia akhirnya menyimpulkan bahwa udara biasa bukanlah zat sederhana. Sebaliknya, ia berpendapat, ada dua komponen: satu yang bergabung dengan logam dan mendukung respirasi dan yang lainnya merupakan zat asfiksia yang tidak mendukung pembakaran atau respirasi. Pada tahun 1777, Lavoisier siap mengajukan teori pembakaran baru yang mengecualikan phlogiston. Pembakaran, katanya, adalah reaksi logam atau zat organik dengan bagian udara biasa yang ia sebut "sangat dapat dihirup." Dua tahun kemudian, ia mengumumkan kepada Royal Academy of Sciences di Paris bahwa ia menemukan bahwa sebagian besar asam mengandung udara yang dapat dihirup ini. Lavoisier menyebutnya oxygène, dari dua kata Yunani untuk pembangkit asam.

Bagi Lavoisier, pembakaran berarti menggabungkan dengan oksigen; namun, hingga ia dapat menjelaskan pembakaran udara yang mudah terbakar, beberapa orang masih meragukan kimia barunya. Pada bulan Juni 1783, Lavoisier mereaksikan oksigen dengan udara yang mudah terbakar, sehingga memperoleh "air dalam keadaan yang sangat murni." Ia menyimpulkan dengan tepat bahwa air bukanlah suatu unsur, melainkan senyawa oksigen dan udara yang mudah terbakar, atau hidrogen seperti yang dikenal saat ini. Untuk mendukung klaimnya, Lavoisier menguraikan air menjadi oksigen dan udara yang mudah terbakar. Kini setelah komposisi air diketahui, keberatan terakhir terhadap pembuangan phlogiston dapat dihilangkan. 

Hukum Lavoisier atau Hukum Kekekalan Massa menyatakan bahwa “total massa zat sebelum dan sesudah reaksi adalah sama.” Massa zat berbanding lurus dengan jumlah atomnya. Dengan begitu, bisa dikatakan jumlah atom sebelum bereaksi sama dengan jumlah atom hasil reaksinya. Suatu persamaan reaksi harus menyamakan jumlah atom yang digunakan oleh koefisien reaksi. Persamaan reaksi yang jumlah atomnya sudah sama disebut dengan persamaan reaksi sempurna atau persamaan reaksi setara. Berikut merupakan susunan bagian-bagian dari persamaan reaksi yang setara:

Penjelasan:

• Jumlah atom P

Jumlah atom P pada reaktan dapat dilihat pada indeksnya yaitu berjumlah 4, sedangkan jumlah atom P pada produk dilihat dari koefisien reaksinya yaitu 4. Maka, jumlah atom P pada reaktan dan produk sudah sama (setara).

• Jumlah atom Cl

Jumlah atom Cl pada reaktan adalah 12 yaitu hasil perhitungan dari koefisien x indeks, sama dengan jumlah atom Cl pada produk adalah 12 yaitu hasil dari  perhitungan koefisien x indeks. Maka, masing-masing senyawa pada reaktan dan produk telah memiliki jumlah atom yang sama, sehingga persamaan reaksi tersebut telah setara. 

Cara penyetaraan persamaan reaksi kimia

Cara penyetaraan persamaan reaksi pada gas nitrogen dan gas oksigen menghasilkan gas nitrogen trioksida sebagai berikut: 

N2 (g) + O2 (g) → NO3 (g)

Langkah-langkah:

1.  Pemberian koefisien reaksi pada setiap zat dalam bentuk simbol abjad.

        a N2 (g) + b O2 (g) → c NO3 (g)

2.    Menetapkan salah satu koefisien sama dengan 1 pada reaktan atau pada rumus kimia paling kompleks.

3.  Penyetaraan koefisien dengan jumlah atom yang sama dengan koefisien sama dengan 1 pada ruas sebaliknya.

4.    Jumlah atom = koefisien x indeks

5.  Perhitungan matematis berdasarkan kesamaan jumlah atom unsur pada ruas reaktan dan produk.

Maka persamaan reaksi yang setara menjadi,

N2 (g) + 3O2 (g) →   2NO3 (g)

Berikut tabel yang menunjukkan data hasil reaksi antara senyawa Pb(NO3)2 dengan KI dalam wadah tertutup menghasilkan senyawa PBI2 dan KNO3.

Dari data percobaan tersebut dapat diketahui massa zat sebelum reaksi dan massa zat hasil reaksi tidak ada perubahan. Maka membuktikan adanya Hukum Kekekalan Massa. 

 Mari simak video-video praktikum berikut untuk lebih memahami hukum kekekalan massa.

CONTOH SOAL:

1. Sebanyak 254 gram tembaga dan 128 gram belerang bereaksi habis membentuk senyawa tembaga sulfida. Menurut hukum kekekalan massa, berapa banyak tembaga sulfida yang akan diperoleh dari reaksi tersebut?

Penyelesaian:

2.  Apabila direaksikan garam dan air dengan massa 50 gram dalam tabung Y yang tertutup, berapakah jumlah  massa zat-zat setelah reaksi berlangsung?

Penyelesaian:

Berdasarkan hukum kekekalan massa, suatu zat yang bereaksi dalam sebuah wadah yang tertutup maka massa zat sebelum dan setelah reaksi adalah sama. Maka reaksi antara garam dan air sebelum reaksi dan setelah reaksi adalah sama yaitu 50 gram.