Kuprum(II) Sulfat sebagai Mangkin: Nota Ringkas Kimia Tingkatan 4

Jika soalan meminta anda mencadangkan mangkin bagi tindak balas antara logam seperti zink atau magnesium dengan asid hidroklorik, jawapan yang dijangka dalam SPM ialah larutan kuprum(II) sulfat, CuSO₄. Sedikit larutan ini sudah cukup untuk mempercepat pembebasan gas hidrogen. Topik ini berada dalam Bab 7, Kadar Tindak Balas, Kimia Tingkatan 4 KSSM.

Konsep ringkas

Mangkin ialah bahan yang menambah kadar tindak balas tanpa digunakan habis dalam tindak balas itu. Kehadiran mangkin ialah salah satu daripada empat faktor dalam Dokumen Standard Kurikulum dan Pentaksiran (DSKP) Kimia, bersama saiz bahan tindak balas, kepekatan dan suhu.

Logam reaktif bertindak balas dengan asid hidroklorik untuk menghasilkan garam dan gas hidrogen:

• Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂
• Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂

Pada tahap SPM, kesan mangkin diterangkan dengan teori perlanggaran:

1. Mangkin menyediakan laluan alternatif yang memerlukan tenaga pengaktifan yang lebih rendah.
2. Lebih banyak zarah yang berlanggar, iaitu atom logam dan ion hidrogen, mempunyai tenaga yang sama atau melebihi tenaga pengaktifan yang lebih rendah itu.
3. Frekuensi perlanggaran berkesan bertambah, maka kadar tindak balas bertambah.

Dalam gambar rajah profil tenaga, laluan bermangkin mempunyai puncak yang lebih rendah, tetapi aras tenaga bahan tindak balas dan hasil tindak balas tetap sama.

Apa sebenarnya yang berlaku kepada kuprum(II) sulfat?

Zink dan magnesium lebih reaktif daripada kuprum, jadi kedua-duanya menyesarkan kuprum daripada larutan kuprum(II) sulfat. Bagi zink:

Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu

Royal Society of Chemistry (RSC) menerangkan bahawa zink menyesarkan kuprum daripada larutan dan permukaan zink menjadi hitam. Logam kuprum yang tersesar inilah yang kemudian bertindak sebagai mangkin. Dalam eksperimen yang sama, kepingan kuprum yang disentuhkan pada zink juga mempercepat tindak balas. Jadi, secara tepat, kuprum(II) sulfat ialah sumber mangkin, manakala mangkinnya ialah kuprum yang terenap. Tindak balas penyesaran logam ini dipelajari dengan lebih lanjut dalam Bab 1 Kimia Tingkatan 5, Keseimbangan Redoks.

Supaya tidak keliru dengan mangkin lain dalam Bab 7, ingat pasangan ini:

Cara menjawab soalan SPM

Dalam klip Kelas LIVE Aster Edu ini, soalan struktur meminta murid mencadangkan mangkin yang boleh digunakan dalam tindak balas antara logam dan asid hidroklorik. Jawapan yang dijangka ialah larutan kuprum(II) sulfat. Panduan menjawab:

• Tulis nama penuh, iaitu larutan kuprum(II) sulfat, dengan nombor Rom (II).
• Jangan menjawab mangan(IV) oksida. Bahan itu ialah mangkin bagi penguraian hidrogen peroksida.
• Jika diminta menerangkan kesan mangkin, gunakan kata kunci tenaga pengaktifan yang lebih rendah. Tenaga kinetik pula ialah kata kunci faktor suhu, seperti dalam nota kesan suhu terhadap kadar tindak balas.
• Jika diminta pemerhatian, nyatakan bahawa gelembung gas terbebas dengan lebih cepat.
• Jika diminta pemboleh ubah, pemboleh ubah dimanipulasikan ialah kehadiran mangkin dan pemboleh ubah bergerak balas ialah kadar tindak balas. Pemboleh ubah dimalarkan pula ialah saiz dan jisim zink, isi padu dan kepekatan asid, serta suhu.

Larutan kuprum(II) sulfat boleh disediakan kerana garam ini larut dalam air. Tiga garam sulfat yang tidak larut diterangkan dalam nota garam sulfat tak larut.

Contoh soalan dan jawapan

Soalan struktur. Dua eksperimen dijalankan untuk mengkaji kesan mangkin. Dalam Eksperimen I, serbuk zink berlebihan dimasukkan ke dalam 50 cm³ asid hidroklorik 0.5 mol dm⁻³. Eksperimen II diulang dengan bahan yang sama, tetapi lima titis larutan kuprum(II) sulfat ditambah. Isi padu gas hidrogen dicatat setiap 30 saat.

(a) Nyatakan fungsi larutan kuprum(II) sulfat. [1 markah]

(b) Terangkan, menggunakan teori perlanggaran, mengapa kadar tindak balas Eksperimen II lebih tinggi. [3 markah]

(c) Hitung isi padu maksimum gas hidrogen yang terkumpul dalam setiap eksperimen. Gunakan isi padu molar gas 24 dm³ mol⁻¹ pada keadaan bilik. [3 markah]

Jawapan.

(a) Sebagai mangkin untuk menambah kadar tindak balas.

(b) Mangkin menyediakan laluan alternatif dengan tenaga pengaktifan yang lebih rendah. Lebih banyak perlanggaran antara atom zink dan ion hidrogen mencapai tenaga pengaktifan itu. Frekuensi perlanggaran berkesan bertambah, maka kadar tindak balas bertambah.

(c) Bilangan mol HCl = 0.5 × 50/1000 = 0.025 mol. Daripada persamaan Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂, 2 mol HCl menghasilkan 1 mol H₂, jadi bilangan mol H₂ = 0.0125 mol. Isi padu H₂ = 0.0125 × 24 = 0.3 dm³, iaitu 300 cm³.

Jawapan (c) sama bagi kedua-dua eksperimen. Zink berlebihan, jadi asid ialah bahan terhad, dan mangkin tidak mengubah kuantiti hasil. Jika graf dilukis, lengkung Eksperimen II lebih curam pada awalnya dan mendatar lebih awal, tetapi pada isi padu yang sama, iaitu 300 cm³.

Kesilapan biasa

• Menjawab mangan(IV) oksida atau besi. Kedua-duanya mangkin bagi tindak balas lain, iaitu penguraian hidrogen peroksida dan Proses Haber.
• Menulis bahawa mangkin menambah tenaga kinetik zarah. Itu kesan suhu, manakala mangkin menurunkan tenaga pengaktifan melalui laluan alternatif.
• Menyangka mangkin menambah isi padu gas hidrogen. Mangkin hanya mempercepat tindak balas.
• Menulis nama yang tidak lengkap seperti "kuprum sulfat" sahaja. Biasakan nama penuh, larutan kuprum(II) sulfat, supaya bahan yang dimaksudkan jelas.

Latihan cepat

1. Apakah mangkin bagi penguraian hidrogen peroksida? Jawapan: Mangan(IV) oksida, MnO₂.
2. Apakah yang diperhatikan pada permukaan zink selepas larutan kuprum(II) sulfat ditambah? Jawapan: Permukaan zink menjadi hitam kerana kuprum terenap padanya.
3. Murid P menambah larutan kuprum(II) sulfat, manakala murid Q memanaskan campuran zink dan asid. Apakah kata kunci penerangan bagi setiap murid? Jawapan: P: tenaga pengaktifan yang lebih rendah. Q: tenaga kinetik yang lebih tinggi.

Untuk berlatih soalan struktur seperti ini bersama guru, kelas Kimia Tingkatan 4 Sains Tulen Aster Edu diadakan secara langsung setiap Khamis, 8.00–9.00 malam.

Soalan lazim

Adakah kuprum(II) sulfat itu sendiri mangkin?

Secara tepat, tidak sepenuhnya. Zink atau magnesium menyesarkan kuprum daripada larutan, jadi ion kuprum(II) bertukar menjadi logam kuprum yang terenap pada permukaan logam. Kuprum inilah yang bertindak sebagai mangkin. Namun dalam soalan SPM, bahan yang ditambah, iaitu larutan kuprum(II) sulfat, ialah jawapan yang dijangka.

Adakah mangkin mengubah isi padu gas hidrogen?

Tidak, jika bahan tindak balas yang terhad sama. Secara teknikal, sedikit zink digunakan untuk menyesarkan kuprum, tetapi apabila asid ialah bahan terhad seperti dalam contoh di atas, isi padu maksimum gas tidak terjejas.

Bolehkah larutan kuprum(II) sulfat digunakan dengan asid sulfurik?

Boleh. Eksperimen RSC menggunakan zink dengan asid sulfurik cair dan sedikit larutan kuprum(II) sulfat. Prinsipnya sama seperti dengan asid hidroklorik.