LARUTAN PENYANGGA

LARUTAN PENYANGGA

KESETIMBANGAN DALAM LARUTAN

   Kesetimbangan kimia adalah keadaan dimana suatu reaksi bolakbalik berlangsung terus menerus tetapi tidak ada perubahan yang dapat diamati. Susunan kesetimbangan tidak berubah dari waktu ke waktu karena kecepatan terbentuk dan menghilangnya masing-masing komponennya sama besar.
     Konsep kesetimbangan perlu untuk memahami reaksi-reaksi yang berlangsung dalam larutan yaitu yang emnyangkut ion-ion. Kesetimbangan yang sudah di ketahui adalah kesetimbangan ionisasi asam lemah dan basa lemah. Dalam bahasan ini akan dipelajari tiga jenis kesetimbangan ion lain yaitu larutan penyangga, hidrolisis garam, dan kesetimbangan dalam larutan jenuh atau basa yang sedikit larut.


A. LARUTAN PENYANGGA ( LARUTAN BUFFER)
     Larutan penyangga atau larutan Bueffer adalah larutan yang dapat mempertahankan harga pH tertentu terhadap usaha mengubah pH seperti penambahan asam, basa atau pengenceran. Artinya, pH larutan penyangga praktis tidak berubah walaupun padanya ditambah sedikit asam kuat atau basa kuat atau bila larutan diencerkan. Vontoh larutan penyangga adalah air laut. Apabila 0,1 mL larutan HCl 1 M ditambahkan dalam 1liter air suling, pH nya akan berubah dari 7 menjadi  4. Bila HCl yng sama banyak ditambahkan dalam satu liter air laut, perubahan pH nya jauh lebih kecil, yaitu dari 8,2 menjadi 7,6.

1. Komponen Larutan Penyangga
Larutan penyangga mengandung campuran asam lemah dan basa konjugaasinya atau basa lemah dan asam konjugasinya.
Larutan penyangga dapat dibedakan atas larutan penyangga asam dan larutan penyangga basa. Larutan penyangga asam mempertahankan pH pada daerah asam ( pH < 7), sedangkan larutan penyangga basa mempertahankan pH pada daerah basa (pH>7).

a. Larutan Penyangga Asam
   Larutan penyangga asam mengandung suatu asam lemah (HA) dan basa konjugasinya ( A^-  ). Larutan seperti ini dapat dibuat dengan berbagai cara misalnya :
1) Mencampurkan  asam lemah ( HA) dengan garamnya ( LA, garam LA menghasilkan ion  A^-  yang merupakan basa konjugasi dari asam HA )
   Beberapa contoh :
   -  CH3COOH   +   NaCH3COO ( komponen buffernya : CH3COOH dan CH3COO^-   )
   -  H2CO3   +  NaHCO3  ( komponen buffernya H2CO3 dan HCO3^-  )
   -  NaH2PO4   +   Na2HPO4  (komponen buffernya   H2PO4^- dan HPO4 ^2-  )

2) Mencampurkan suatu asam lemah dengan basa kuat dimana asam lemah dicampurkan dalam jumlah berlebih. Campuran akan menghasilkan garam yang mengandung basa konjugasi dari asam lemah yang bersangkutan.
   Contoh :
   100 mL larutan CH3COOH 0,1 M   +   50 mL larutan NaOH 0,1 M
    Jumlah mol CH3COOH   =   100 mL  x  0,1 mmol/mL   = 10 mmol
    jumlah mol NaOH            =     50 mL  x  0,1 mmol/mL   = 5 mmol
   Campuran akan bereaksi menghasilkan 5 mmol NaCHCOO, sedangkan CH3COOH bersisa 5 mmol, dengan rincian sebagai berikut :
        CH3COOH (aq)    +   NaOH (aq)  -------> NaCH3COO(aq)     +   H2O (l)
atau reaksi ion
                     CH3COOH (aq)   +  OH^-    -------->   CH3COO^-   (aq) +   H2O (l)
mula-mula :       10 mmol                  5 mmol                  -
reaksi        :       -5 mmol                 - 5 mmol                + 5 mmol
akhir         :         5 mmol                  -                            5 mmol
Campuran merupakan buffer karena mengandung CH3COOH (asam lemah ) dan  CH3COO^-   ( basa konjugasi dari CH3COOH)

b. Larutan penyangga Basa
     Laturan penyangga basa mengandung suatu basa lemah (B) dan asam konjugasinya ( H⁺ ). Larutan penyangga basa dapat dibuat dengan cara yang serupa dengan pembuatan larutan penyangga. asam.
1). Mencampur suatu basa lemah dengan garamnya.
    Contoh :
    Larutan NH3    +    NH4Cl ( komponen buffernya : NH3 dan NH4+ )

2) Mencampurkan suatu basa lemah dengan suatu asam kuat di mana basa lemahnya dicampurkan berlebih.
   Contoh :
     50 mL NH3 0,2 M ( = 10 mmol ) dicampur dengan 50 mL HCl 0,1 M ( = 5 mmol). Campuran akan bereaksi menghasilkan 5 mmol NH4Cl (NH4⁺) sedangkan NH3 bersisa 5 mmol dengan rincian sebagai berikut :
                NH3  (aq)     +    HCl (aq)  -------->   NH4Cl (aq)
Atau dengan reaksi ion :
                           NH3  (aq)     +    HCl (aq)  -------->   NH4⁺ (aq)
Mula-mula   :       10 mmol              5 mmol
Reaksi         :       -5 mmol             -5 mmol                     + 5 mmol
Akhir          :        5 mmol                                                   5 mmol
Jadi, campuran merupakan buffer karena mengandung NH3 ( basa lemah) dan NH4⁺ (asam konjugasi NH3)


2. Cara  Kerja Larutan Penyangga.
   Adapun cara kerja larutan penyangga dapat dipahami dari dua contoh berikut :

a. Larutan Penyangga Asam
   Contoh : Larutan penyangga yang mengandung CH3COOH dan CH3COO^-
   Dalam larutan kesetimbangan :
        CH3COOH    <========>   CH3COO^-           +    H⁺
    Penambahan asam ( H⁺ )  akan menggeser kesetimbangan ke kiri, ion H⁺   yang ditambahkan akan bereaksi dengan ion  CH3COO^-    membentuk molekul CH3COOH. Jika yang ditambahkan adalah basa, maka ion  H⁺  dari basa akan bereaksi dengan ion  H⁺  membentuk air. Hal ini akan menyebabkan kesetimbangan bergeser ke kanan sehingga konsentrasi ion H⁺  dapat dipertahankan.

b. Larutan penyangga basa.
    Contoh : Larutan penyangga yang mengandung NH3 dan  NH4⁺  .
     NH3 (aq)   +  H2O  (l)    <=====>    NH4⁺  (aq)  +  OH^-

     Jika ke dalam larutan ditambahkan suatu asam, maka ion      dari asam akan mengikat ion OH^-. Hal ini menyebabkan kesetimbangan bergeser ke kanan sehingga konsentrasi ion OH^-  dapat dipertahankan.


3. Sifat Larutan Penyangga
    Penambahan sedikit asam atau basa ke dalam larutan penyangga atau pengenceran tidak mengubah pH larutan.
   Untuk mengetahui sifat larutan penyangga dilakukan suatu kegiatan  yang bertujuan mempelajari pengaruh penambahan asam kuat, basa kuat dan pengenceran terhadap pH larutan penyangga dan larutan bukan penyangga. Sebagai larutan penyangga digunakan larutan yang mengandung 0,1 M CH3COOH dan 0,1 M NaCH3COO, sedangkan larutan bukan penyangga digunakan NaCl 0,1 M. Sebanyak 9 gelas kimia ukuran 100 mL diisi dengan larutan penyangga masing-masing 10 mL. Kemudian ke dalam gelas :
1. ditambahkan 1 mL larutan HCl 0,1 M
2. ditambahkan 5 mL larutan HCl 0,1 M
3. ditambahkan 10 mL larutan HCl 0,1 M
4. ditambahkan 11 mL larutan HCl 01 M
5. ditambahkan 1 mL larutan NaOH 0,1 M
6. ditambahkan 5 mL latutan NaOH 0,1 M
7. ditambahkan 10 mL larutan NaOH 0,1 M
8. ditambahkan 11 mL larutan NaOH 0,1 M
9. ditambahkan 20 mL air suling.
Setelah iru pH larutan pada setiap gelas diukur dengan indikator universal. Hal ini sama dilakukan pula terhadap larutan bukan penyangga.
     Secara teori, pH larutan pada setiap gelas diukur dengan indikator universal. Hal ini sama dilakukan pula terhadap larutan bukan penyangga.
Secara teori, percobaan tersebut adalah sebagai berikut :
pH awal  :    Larutan penyangga             :  4,75
                    Larutan bukan penyangga  :   7

Data pH setelah penambahan larutan HCl dan NaOH dan setelah pengenceran :

Jenis larutan	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Larutan penyangga Larutan bukan penyangga	4,83 2,32	5,22 1,70	3,74 1,48	4,64 1,45	4,75 11,68	4,79 12,30	4,83 12,52	4,81 12,55	4,75 7

   Perubahan pH larutan penyangga dan bukan penyangga di atas dapat digambarkan dengan grafik sebagai berikut  :

Gambar grafik perubahan pH larutan penyangga (a) dan larutan bukan penyangga (b) pada penambahan asam dan basa kuat.

Dari keterangan di atas dapatlah disimpulkan sifat-sifat larutan penyangga sebagai berikut :
1). pH larutan penyangga praktis tidak berubah pada penambahan sedikit asam kuat atau sedikit basa kuat atau pengenceran.
2). pH larutan penyangga berubah pada penambahan asam kuat atau basa kuat yang relatif banyak, yaitu apabila asam kuat atau basa kuat yang ditambahkan menghabiskan komponen larutan penyangga itu, maka pH larutan akan berubah drastis.
3). Daya penahan suatu larutan penyangga tergantung pada jumlah mol komponenya, yaitu jumlah mol asam lemah dan basa konjugasinya, jumlah mol basa lemah dan asam konjugasinya.


4. Fungsi Larutan Penyangga dalam Tubuh Makhluk Hidup dan Dalam Kehidupan Sehari-hari
    Larutan penyangga digunakan secara luas dalam kimia analitis, biokimia dan bakteriologi juga dalam fotografi, industri kulit dan zat warna. Dalam tiap bidang tersebut terutama dalam biokimia dan bakteriologi diperlukan rentang pH tertentu yang sempit untuk mencapai hasil optimum. Kerja suatu enzim tumbuhnya kultur bakteri dalam proses biokimia lainnya sangan sensitif  terhadap perubahan pH.
   Cairan tubuh, baik cairan intra sel maupun cairan luar sel, merupakan larutan penyangga. Sistem penyangga utama dalam cairan intra sel adalah pasangan asam basa konjugasi dihidrogenphosphat- monohidrogenphosphat ( H₂PO4^-  -  HPO4^2-  ). Sistem ini bereaksi dengan asam dan basa sebagai berikut :

HPO₄ ^2-   (aq)   +   H ⁺  (aq)      -------->         H2PO4 ^– (aq)

H₂PO₄ ^– (aq)   +  OH^-    (aq)    ------>      HPO4 ^2- (aq)   +   H2O (l)

adapun sistem penahan utama dalam cairan luar sel ( darah) adalah pasangan asam basa konjugasi asam karbonat dan bikarbonat (H2CO3  –  HCO3^-  ). Sistem ini bereaksi dengan asam dan basa sebagai berikut :

H2CO3  (aq)   +   OH^-  (aq)   ------>    HCO3^- (aq)   +   H2O (l)

HCO3 ^– (aq)   +   H⁺   (aq)    ----->     H2CO3 (aq)

Sistem Penyangga diatas membantu menjaga pH darah hampir konstan, yaitu sekitar 7,4.

    Perbandingan konsentrasi   HCO3^-  terhadap H2CO3  yang diperlukan untuk menjadikan pH = 7,4 adalah    20 : 1. Jumlah HCO3^-  yang relatif jauh lebih banyak itu dapat dimengerti karena hasil-hasil metabolisme yang diterima darah lebih banyak yang bersifat asam. Proses metabolisme dalam jaringan terus menerus membebaskan asam-asam seperti asam laktat, asam fosfat dan asam sulfat. Ketika asam-asam masuk ke pembuluh darah maka ion  HCO3^- akan berubah menjadi H2CO3, kemudian H2CO3 akan terurai menjadi CO2. Pernapasan akan meningkat untuk mengeluarkan kelebihan CO2 melalui paru-paru. Apabila darah harus menerima zat yang bersifat basa maka H2CO3 akan berubah menjadi HCO3^- . untuk mempertahankan perbandingan  HCO3^-  /H2CO3 tetap 20/1 , maka sebagian CO2 yang terdapat dalam paru-paru akan larut ke dalam darah membentuk H2CO3.

   Apabila mekanisme pengaturan pH dalam tubuh gagal, seperti dapat terjadi selama sakit, sehingga pH darah turun ke bawah 7,0 atau naik ke atas 7,8 dapat menyebabkan kerusakan permanen pada organ tubuh bahkan kematian. Faktor-faktor yang dapat menyebabkan keadaan asidosis (penurunan pH) adalah penyakit jantung, penyakit ginjal, diabetes millitus ( penyakit gula), diare yang terus menerus, atau makanan berkadar protein tinggi selama jangka wakru yang lama. Keadaan asidosis sementara dapat terjadi karena olahraga intensif yang dilakukan terlalu lama. Alkalosis (peningkatan pH darah) dapat terjadi sebagai akibat muntah yang hebat, hiperventilasi ( bernapas terlalu berlebihan, kadang-kadang karena cemas atau histeris atau berada di ketinggian). Suatu penelitian yng dilakukan terhadap para pendaki gunung yang mencapai puncak Everest (8848 m) tanpa oksigen tambahan menunjukkan pH darah mereka berada di antara 7,7 - 7,8. Hiperventilasi diperlukan untuk mengatasi tekanan oksigen yang amat rendah ( kira-kira 43 mmHg) di tempat setinggi itu.

5. Menghitung pH Larutan penyangga

pH larutan penyangga tergantung pada Ka asam lemah atau Ka basa lemah serta perbandingan konsentrasi asam dengan konsentrasi basa konjugasi atau konsentrasi basa dengan konsentrasi asam konjugasi dalam larutan tersebut.

a. Larutan Penyangga Asam

   Pada larutan penyangga yng terdiri atas CH3COOH dengan NaCH3COO, asam asetat mengion sebagian menurut reaksi kesetimbangan, sedangkan natrium asetat mengion sempurna. Misalnya jumlah CH3COOh yang dilarutkan = a mol dan jumlah yang mengion = x mol, maka susunan kesetimbangan dapat dirinci sebagai berikut :

                          CH₃COOH (aq)   ------>       CH₃COO^- (aq)    +   H⁺  (aq)

mula - mula  :       a mol                                            -                          -

reaksi          :         - x mol                                        + x mol                + x mol

setimbang    :        a - x mol                                          x mol                   x  mol

Misalkan jumlah mol NaCH3COO yang dilarutkan = g mol. Dalam larutan, garam ini mengion sempurna membentuk g mol ion Na+ dan g mol ion CH3COO-

                          NaCH₃COO (aq)     ---------->   CH₃COO^-   (aq)    +   Na⁺  (aq)

mula - mula   :      g mol                                                -                            -

reaksi           :      - g mol                                             + g mol                   + g mol

setimbang     :       -                                                         g mol                      g mol

Tetapan ionisasi asam asetat sesuai dengan persamaan pertama :

        Ka   =       [CH₃COO^-]  [H⁺ ]

                              [ CH₃COOH ]

Maka konsentrasi ion H+  dalam larutan akan ditentukan oleh persamaan berikut :

      [ H+]    =   Ka x  [CH3COOH]

                                 [  CH₃COO^- ]    

Jumlah ion CH₃COO^-   dalam larutan =  ( x  +  g), sedangkan jumlah CH3COOH  = ( a-x) mmol. Oleh karena dalam larutan terdapat banyak ion CH₃COO^- , yaitu yang berasal dari NaCH3COO, maka kesetimbangan akan terdesak ke kiri, sehingga jumlah mol CH3COOH dalam larutan dianggap tetap a mol (a - x) = a; jumlah CH3COOH yang mengion diabaikan.

Dengan alasan yang sama, jumlah ion CH₃COO^-  dalam larutan dapat dianggap = g mol ( g + x = g; )

      [  H+]  =  Ka  x  (a/V) / (g/V)    ( V  = volume larutan )

atau

      [ H +]  =  Ka x  a/g

           pH  = -log (Ka x a/g )

                  = - log Ka - log a/g

atau

        pH    =    pKa  - log a/g

dengan  :

   Ka  =  tetapan ionisasi asam lemah

   a     = jumlah mol asam lemah

   g     = jumlah mol basa konjugasi

contoh soal :
Tentukan pH larutan penyangga yang dibuat dengan mencampurkan 50 mL larutan CH3COOH 0,1 M dengan 50 mL larutan NaCH3COO 0,1 M Ka CH3COOH  = 1,8 x 10-5
jawab :
Mol CH3COOH    =  50 mL  x 0,1 mmol/mL
                              = 5 mmol
Mol NaCH3COO  = 50  x 0,1 mmol/mL
                              = 5 mmol
mol asam  = mol basa konjugasi, maka pH = pKa  = - log 1,8 x 10-5  =   4,75

b. Larutan Penyangga dari Basa Lemah dan Asam Konjugasinya

    Perhatikan larutan penyangga yang mengandung NH3 dan NH4Cl. Dalam larutan, NH3 mengion menurut reaksi keseimbangan sedangkan NH4Cl mengion sempurna.

NH3 (aq)   +    H2O (l)      <=====>          NH4⁺ (aq)   +   OH^-  (aq)

NH4Cl (aq)  ----->          NH4⁺ (aq)   +   Cl^- ( aq)

Sama halnya dengan penurunan larutan penyangga dari basa lemah dan asam konjugasinya
        [OH-]  = Kb x b/g
dan

        pOH    =    pKa  - log b/g

dengan
 Kb  =  tetapan ionisasi basa lemah
   b     = jumlah mol basa lemah
   g     = jumlah mol asam konjugasi

Contoh soal
Ke dalam 100 mL larutan NH3 0,1 M ditambahkan 100 mL larutan (NH4)2 SO4  0,1 M. Berapakan pH campuran itu ?   Kb  NH3 = 1,8 x 10-5. Apabila ke dalam campuran itu ditambahkan lagi 20 mL larutan HCl 0,1 M, berapakah pH sekarang?
Jawab :
a) Campuran larutan NH3 dengan (NH4)2SO4 bersihat penyangga karena mengandung basa lemah (NH3) dan asam konjugasinya (NH4+). pH larutan tergantung pada perbandingan mol NH3 dengan ion NH4+.
Mol NH3            =   100 mL   x   0,1 mmol/mL
                           =   10 mmol
Mol (NH4)2SO4=   100mL    x   0,1 mmol/mL
                           =   10 mmol
Mol ion NH4+    =   2 x 10 mmol
                           =   20 mmol
[OH-]     =  Kb  x b/g  = 1,8 x 10-5  x  10/20   =   9 x 10-6
pOH    = -log 9  x  10-6    =   6  -  log 9
Maka pH  =   14 - ( 6 - log9)   =   8  +   log 9      =   8,95

b) Penambahan HCl akan mengurangi jumlah NH3 dan menambah jumlah ion NH4+ yang terbentuk = 1 mmol. Susunan campuran sekarang dapat diperinci sebagai berikut :
                       NH₃  (aq)   +   H⁺ (aq)    -------->     NH₄⁺ (aq)

mula-mula :      10 mmol          1 mmol                         20 mmol
reaksi       :       -1 mmol         -1 mmol                         +1 mmol    
akhir        :        9 mmol            -                                   21 mmol

[OH-]    =   Kb  x  b/g         =    1,8 x 10-5    x   9/21      =   7,7 x 10-6
pOH      = - log 7,7   x  10-6      =    6  -  log 7,7
pH         =   14 - ( 6 - log 7,7 )    =   8   +  log 7,7      =    8,89

Contoh soal
Periksalah, apakah campuran larutan berikut bersifat penyangga atau tidak?
a. 50 mL larutan CH3COOH 0,1 M   +   50 mL larutan Ca (CH3COOH)2 0,1 M
b. 50 mL larutan CH3COOH 0,2 M   +   50 mL larutan NaOH 0,1 M
c. 50 mL larutan CH3COOH 0,1 M   +   50 mL larutan NaOH 0,1 M
d.  50 mL larutan CH3COOH 0,1 M   +   50 mL larutan NaOH 0,2 M

Jawab :
a. Campuran dari 50 mL larutan CH3COOH 0,1 M   +   50 mL larutan Ca (CH3COOH)2 0,1 M bersifat penyangga karena mengandung asam lemah (CH3COOH ) dan basa konjugasinya yaitu ion CH3COO- yang berasal dari Ca(CH3COOH)2.

b. Campuran dari 50 mL larutan CH₃COOH 0,2 M (mengandung 10 mmol Ca(CH₃COO)2 0,1M dengan 50 mL larutan NaOH 0,1 M (mengandung 5 mmol NaOH) bersifat penyangga karena CH₃COOH akan bereaksi sebagian dengan ion OH^- dari NaOH membentuk ion CH₃COO^-

                       CH₃COOH (aq)   +   NaOH (aq)   ------    NaCH₃COO (aq)   +   H₂O (l)

Atau

         CH₃COOH (aq)   +   OH^-   (aq)      -------     CH₃COO^-  (aq)   +   H₂O (l)

Mula-mula:     10 mmol                    5 mmol

Reaksi        :        - 5 mmol                 -5 mmol                         +5 mmol               + 5mmol

Akhir          :         5 mmol                       -                                     5 mmol                   5 mmol

Jadi, dalam canpuran terdapat 5 mmol CH₃COOH (suatu asam lemah ) dan 5 mmol ion CH₃COO^- (basa konjugasi dari CH₃COOH)

c. Campuran dari 50 mL larutan CH₃COOH 0,1 M (mengandung 5 mmol Ca(CH₃COO)2 0,1M dengan 50 mL larutan NaOH 0,1 M (mengandung 5 mmol NaOH) tidak bersifat penyangga karena CH₃COOHtepat habis  bereaksi sebagian dengan ion OH^- dari NaOH membentuk ion CH₃COO^-

                       CH₃COOH (aq)   +   NaOH (aq)   ------    NaCH₃COO (aq)   +   H₂O (l)

Atau

         CH₃COOH (aq)   +   OH^-   (aq)      -------     CH₃COO^-  (aq)   +   H₂O (l)

Mula-mula:       5 mmol                    5 mmol

Reaksi        :        - 5 mmol                 -5 mmol                         +5 mmol               + 5mmol

Akhir          :                    -                      -                                        5 mmol                   5 mmol

Jadi, dalam campuran tidak  terdapat  CH₃COOH (suatu asam lemah ) dan terdapat 5 mmol ion CH₃COO^- (basa konjugasi dari CH₃COOH)

d. Campuran dari 50 mL larutan CH₃COOH 0,1 M (mengandung 5 mmol CH₃COOH ) dengan 50 mL larutan NaOH 0,2 M (mengandung  10 mmol NaOH)tidak  bersifat penyangga karena canpuran tidan mengandung basa lemah CH₃COOH tetapi hanya  terdapat  basa kuat  NaOH

                       CH₃COOH (aq)   +   NaOH (aq)   ------    NaCH₃COO (aq)   +   H₂O (l)

Atau

         CH₃COOH (aq)   +   OH^-   (aq)      -------     CH₃COO^-  (aq)   +   H₂O (l)

Mula-mula:      5 mmol                    10 mmol

Reaksi        :        - 5 mmol                 -5 mmol                         +5 mmol               + 5mmol

Akhir          :                                        5 mmol                            5 mmol                   5 mmol

Categories: Kimia Analisis