pH basa lemah monoekivalen. pH campuran larutan yang merupakan pasangan asam-basa konjugat.
77 basa konjugat sama dengan yang digunakan untuk menghitung pH asam
lemah atau basa lemah. Sebagai contoh, campuran larutan asam lemah, HA, dan garam
natrium, NaA. Zat yang sebenarnya ada dalam campuran larutan itu adalah HA, Na
+
, dan A
-
NaA adalah garam dan dalam larutannya selalu ada sebagai ion Na
+
dan ion A
-
Gambar 3
. Dari zat yang ada itu yang menentukan keasaman atau kebasaan adalah HA dan A
-
. HA dan A
-
inilah yang merupakan campuran asam dan basa konyugasi. Berdasarkan zat ang ada dalam campuran itu, ada 2
kesetimbangan yang perlu diperhatikan yaitu, kesetimbangan karena disosiasi HA, HA + H
2
O
⇄
H
3
O
+
+ A
-
dan kesetimbangan karena disosiasi A
-
: A-
+ H
2
O
⇄
HA + OH
-
Bila disosiasi air diabaikan, maka persamaan pertama disosiasi asam lemah, HA tersebut, merupakan sumber utama dari H
3
O
+
, dengan tetapan kesetimbangan, K
a
=
[ ][ ]
[ ]
HA A
O H
− +
3
Untuk menghitung [H
3
O
+
], konsentrasi A
-
dan HA harus ditentukan terlebih dahulu. Konsentrasi A
-
dan HA Lebih tepat dihitung dari A
-
dan HA yang terbentuk dari persamaan disosiasi reaksi di atas. Disosiasi, HA + H
2
O
⇄
H
3
O
+
+ A
-
menyebabkan konsentrasi HA berkurang dan konsentrasi A
-
bertambah, masing-masing sebanyak konsentrasi H
3
O
+
. Dengan cara sama, disosiasi, A
-
+ H
2
O
⇄
HA + OH
-
memperbesar konsentrasi HA dan menurunkan konsentrasi A
-
, masing-masing sebanyak konsentrasi OH. Jadi konsentrasi HA dan A
-
dalam kesetimbangan itu adalah : [HA] = C
HA
- [H
3
O
+
] + [OH
-
] [A
-
] = C
NaA
+ [H
3
O
+
] - [OH
-
] Biasanya, C
HA
dan C
NaA
jauh lebih besar daripada konsentrasi H
3
O
+
dan OH
-
, sehingga, [HA] = C
HA
[A
-
] = C
NaA
Komposisi kesetimbangan yang akhirnya terdiri dari [HA] = C
HA
dan [A
-
] = C
NaA
dapat dijlaskan dengan pergeseran kesetimbangan azas Le Chatelier akibat pengaruh ion
senamasejenis yaitu dengan memandang campuran itu terdiri dari disosiasi, HA + H
2
O
⇄
H
3
O
+
+ A
-
dan ion A
-
berasal dari NaA. Ion A
-
akan menggeser kesetimbangan asam
HA HA
Na
+
Na
+
A
-
A
-
Gambar 3. Campuran
larutan HA dan NaA
78 lemah HA ke kiri sehingga A
-
dalam kesetimbangan tinggal amat sedikit dan praktis berasal A
-
dari NA. Sedangkan HA akan bertambah banyak dan praktis sama dengan konsentrasi HA semula. Itulah sebabnya dalam kesetimbangan itu akhirnya, [HA] = C
HA
dan [A
-
] = C
NaA
. Dengan mensubstitusikan harga terakhir ini ke dalam ungkapan kesetimbangan, K
a
, maka diperoleh persamaan yang dapat digunakan untuk menghitung [H
3
O
+
]. K
a
=
[ ]
HA NaA
C C
O H
+ 3
Asumsi [HA] = C
HA
dan [A
-
] = C
NaA
sangat valid bila konsentrasi analitik besar dan tetapan disosiasi kecil. Untuk permasalahan di dalam diktat ini persamaan :
K
a
=
[ ]
HA NaA
C C
O H
+ 3
, dapat diterima apabila : C
HA
dan C
NaA
≥ 10
-3
dan K
a
dan K
b
≤ 10
-3
. B
ila asumsi-asumsi di atas tidak diikuti dan yang diinginkan adalah hasil akhir yang lebih akurat, maka persamaan [HA] = C
HA
- [H
3
O
+
] + [OH
-
] dan [A
-
] = C
NaA
+ [H
3
O
+
] - [OH
-
] disubstitusikan secara langsung ke dalam ungkapan, K
a
=
[ ][ ]
[ ]
HA A
O H
− +
3
, sehingga diperoleh persamaan :
K
a
=
[ ]
[ ] [ ]
[ ] [ ]
− +
− +
+
+ −
− +
OH O
H C
OH O
H C
O H
HA NaA
3 3
3
Selanjutnya dengan mengganti [OH
-
] dengan
[ ]
+
O H
K
W
3
dan mengaturnya, akan diperoleh persamaan yang sangat sulit dapat diselesaikan dengan rumus kuadrat yaitu,
[H
3
O
+
]
3
+C
NaA
+ K
a
[H
3
O
+
]
2
- K
a
C
HA
+ K
W
[H
3
O
+
] – K
a
K
W
= 0
Contoh 4.
Berapakah pH larutan yang dibuat dengan mencampur 3,00 gram Na-asetat dengan 5,00 mL asam asetat 12 M dan diencerkan menjadi 2 L? K
a
asam asetat = 1,76 x 10
-5
. Penyelesaian.
Pertanyaan yang harus diajukan bila zat dicampur adalah, “ Dapatkah zat itu bereaksi?” Zat yang dicampur pada soal ini, tidak dapat bereaksi karena setelah
kedua zat dicampur larutan akan mengandung asam asetat, ion Na
+
, ion acetat, dan air. Penentu keasaman larutan campuran adalah asam asetat dan ion asetat dan
keduanya merupakan pasangan konjugat.
79
COOH CH
C
3
= mL
200 mL
mmol 12
x mL
, 5
-1
= 0,030 M
COONa CH
C
3
=
L 2
mol g
82 g
, 3
1 -
= 0,0183 M = [CH
3
COO
-
] Asam asetat merupakan sumber utama H
3
O
+
, karena C
HA
x K
a
K
w
. Disosiasi asam asetat adalah,
CH
3
COOH + H
2
O
⇄
H
3
O
+
+ CH
3
COO
-
, dengan K
a
=
[ ][
]
[ ]
COOH CH
COO CH
O H
3 3
3
− +
CH
3
COO
-
yang berasal
dari CH
3
COONa, akan
mempengaruhi kesetimbangan di atas sehingga kesetimbangan bergeser ke kiri. Sehingga sebagian
besar CH
3
COO
-
pada kesetimbangan di atas, berasal dari CH
3
COONa. Dan oleh karena
COOH CH
C
3
dan
COONa CH
C
3
10
-3
dan K
a
10
-3
, maka untuk kesetimbangan di atas asumsi berikut dapat diberlakukan.
[CH
3
CO
2
H] =
COOH CH
C
3
= 0,03 M [CH
3
CO
2 -
] =
COONa CH
C
3
= 0,0183 M Harga-harga yang telah diketahui itu disubstitusikan ke dalam ungkapan K
a
1,76 x 10
-5
=
[ ]
[ ]
03 ,
0183 ,
3
+
O H
pH = - log 2,89 + 10
-5
= 4,540 Penyelesaian soal tersebut dapat pula dilakukan dengan CH
3
COO
-
sebagai sumber OH
-
yang mempunai harga K
b
. Harga K
b
ditentukan dengan memakai hubungan K
a
x K
b
= K
W
, karena campuran itu merupakan pasangan asam-basa konyugasi.
1,76 x 10
-5
x K
b
= 1,0 x 10
-14
K
b
= 5,68 x 10
-10
Sebagai sumber utama OH
-
adalah basa, CH
3
COO
-
, karena C
A -
x K
b
K
W
. CH
3
COO
-
+ H
2
O
⇄
CH
3
COOH + OH
-
, dengan K
b
=
[ ]
[ ]
[ ]
− −
COO CH
COOH CH
OH
3 3
CH
3
COOH yang sudah ada dalam larutan akan mendesak kesetimbangan basa itu kekiri dan konsentrasi kesetimbangan CH
3
COOH sebgai besar berasal dari CH
3
COOH. Dengan mensubstitusikan harga konsentrasi yang telah diketahui, maka diperoleh,
80 5,68 x 10
-10
=
[ ]
0183 ,
03 ,
−
OH
[OH
-
] = 3,47 x 10
-10
pOH = -log 3,47 x 10
-10
= 9,46 pH = 14 - 9,46 = 4,54.
Suatu campuran asam lemah atau basa lemah dengan pasangan konjugatnya masing-masing seperti tersebut di atas, disebut
bufer = penyangga buffer.
Campuran bufer ini mempunyai kemampuan mempertahankan pH walaupun larutan diencerkan atau
ditambahkan sedikit asam atau basa. Sifat bufer ini penting dalam bidang sains, terutama sekali dalam bidang kimia yang menyangkut kehidupan biokimia.
Pengaruh pengenceran pada pH Buffer.
pH larutan bufer tidak terpengaruh oleh pengenceran sampai konsentrasi asam lemah dan basa menurun ke suatu harga sehingga asumsi [HA] = C
HA
dan [A
-
] = C
NaA
tidak valid lagi. Tidak terpengaruhnya harga pH oleh pengenceran dapat diketahui dari persamaan sbb.:
HA + H
2
O
⇄
H
3
O
+
+ A
-
A
-
+ H
2
O
⇄
HA + OH
-
K
a
=
[ ][ ]
[ ]
HA A
O H
− +
3
[H
3
O
+
] = K
a
x
[ ]
[ ]
−
A HA
-log [H
3
O
+
] = -log K
a
- log
[ ]
[ ]
−
A HA
pH = pK
a
- log
[ ]
[ ]
−
A HA
Dari persamaan terakhir ini terlihat bahwa pH tergantung pada angkabading [HA] terhadap [A
-
]. Penambahan air pengenceran pada larutan bufer akan menurunkan [HA] dan [A
-
] dengan harga sama tetapi angkabandingnya tetap tidak berubah.
Pengaruh penambahan asam atau basa pada pH bufer.
Bila asam kuat seperti HCl ditambahkan pada air, maka jumlah H
3
O
+
akan betambah sebanyak H
3
O
+
dari HCl. Bila asam yang sama ditambahkan pada larutan bufer, maka asam tersebut akan bereaksi dengan komponen basa dari bufer. Dengan cara sama,
81 bila yang ditambahkan basa kuat seperti NaOH, maka basa ini akan bereaksi dengan
konponen asam dari bufer itu. Bila bufer terdiri dari campuran HA dan NaA, maka reaksinya pada penambahan HCl dan NaOH adalah,
HCl + NaA →
HA + NaCl NaOH + HA
→ NaA + H
2
O Pada reaksi tersebut, menyebabkan konsentrasi komponen bufer HA atau NaA, akan
berubah; tetapi pengaruh perubahan ini terhadap harga pH tidak terlalu besar, karena pH tergantung pada log angkabanding kedua komponen bufer itu.
Contoh 5.
Hitung pH bufer yang terdiri dari 0,20 M HA dan 0,10 M NaA. Penyelesaian.
pH = pK
a
- log 10
, 20
, = pK
a
- 0,30.
Contoh 6
Bila pada larutan bufer pada
Contoh 5
tersebut ditambahkan basa kuat, sehingga akan bereaksi dengan HA dan HA yang masih ada adalah 0,10 M, berapakah pH bufer
sekarang?. Penyelesaian.
Reaksi basa kuat dengan HA akan menghasilkan NaA, sehingga konsentrasi NaA dalam larutan menjadi 0,20 M.
HA + NaOH →
NaA + H
2
O pH larutan sekarang adalah : pH = pK
a
– log 2
, 1
, = pK
a
+ 0,30. Akibat penambahan basa kuat, perubahan pH yang terjadi adalah :
∆ pH = pK
a
+ 0,30 - pK
a
- 0,30 = 0,60. Perubahan pH ini relatif kecil dibanding jumlah basa kuat yang ditambahkan pada air.
Penambahan basa kuat yang jumlahnya sama pada air murni dengan volum sama, pH akan bertambah dari 7,00 menjadi 13,00 berubah 6 satuan.
Kapasitas bufer.
pH larutan bufer tergantung pada angkabanding konsentrasi pasangan asam-basa konjugatnya, sedangkan kapasitas bufer untuk menahan perubahan pH, tergantung pada
konsentrasi asam dan konsentrasi basa secara individu dan tergantung pula pada
82 angkabanding konsentrasi pasangan asam-basa konjugat.
Kapasitas bufer
ββββ
didefinisikan sebagai jumlah dalam ekivalen dari asam kuat atau basa kuat yang diperlukan agar 1,0 L larutan bufer mengalami perubahan pH satu 1 satuan.
Oleh karena bufer dapat menahan perubahan pH sepanjang masih adanya asam lemah atau basa
lemah sisa, maka makin besar konsentrasi komponen bufer, makin besar kapasitas bufer itu. Kapasitas bufer juga bertambah bila angkabanding konsentrasi pasangan asam-basa
konjugat mendekati satu. Biasanya tidak mungkin mempunyai bufer dengan angkabanding konsentrasi pasangan asam-basa konjugatnya lebih besar dari
1 10
atau kurang dari 10
1 dan
masih mempunyai jumlah cukup untuk salah satu komponen bufer yang ada untuk bereaksi dengan basa atau asam yang ditambahkan. Bila angkabanding ini dapat diterima sebagai
batas-batas kapasitas bufer, maka dengan menggunakan persamaan : pH = pK
a
- log
[ ]
[ ]
−
A HA
, dapat ditentukan range pH dari bufer, seperti
Tabel 4.
Jadi range pH yang sangat berguna sebagai batasan
kapasitas bufer adalah pK
a
± 1.
Memilih bufer.
Beberapa bufer yang sering digunakan beserta harga pK
a
nya dapat dilihat pada
Tabel 5.
Pemilihan bufer yang akan digunakan untuk aplikasi tertentu, didasari pada dua pertimbangan yaitu berapa pH yang diinginkan, dan kococokan komponen-komponen
bufer dengan
sampel atau dengan reaktan-reaktan
pada prosedur
pengerjaan. Untuk memilih
bufer dengan pH yang
diinginkan sedapat mungkin
dipilih bufer
yang
Tabel 4. Penentuan range pH bufer.
pH pH
mak
= pK
a
- log = pK
a
+ 1 pH
min
= pK
a
- log = pK
a
- 1
Tabel 5. Beberapa bufer yang sering digunakan. N a m a
PK
a
Asam fosfatNatrium dihidrogen fosfat Asam sitratNatrium dihidrogen sitrat
Natrium dihidrogen sitratdiNatrium hidrogen sitrat Asam asetatNatrium asetat
diNatrium hidrogen sitrattriNatrium sitrat Kalium dihidrogen fosfatdiNatrium hidrogen fosfat
Trishidroksi metilamino metana hidrokl oridatris hidroksi metilamono metana
Asam boratnatrium borat Amonium kloridaamonia
Natrium bikarbonatNatrium karbonat diNatrium hidrogen fosfattriNatrium fosfat
2,15 3,13
4,76 4,76
6,40 7,20
8,08 9,23
9,25 10.33
12,40
83 komponen asamnya mempunyai pKa sedekat mungkin dengan pH yang diinginkan. Hal ini
dapat terjadi bila angka banding konsentrasi pasangan asam-basa konjugat mendekati satu. Pemilihan bufer berdasarkan kecocokan kimia dengan sampel atau dengan reaktan-reaktan
yang digunakan, sangat kompleks dan memerlukan pengetahuan tentang interaksi yang mungkin terjadi antara konponen bufer dengan komponen kimia dalam sampel.
Perhatikan senyawa yang dicampur dalam tabel 5 itu. Apakah senyawa yang dicampur itu benar-benar merupakan campuran buffer? Mengapa?
Membuat larutan bufer.
Dari persamaan, pH = pK
a
- log
[ ]
[ ]
−
A HA
, dapat diketahui bahwa bufer dengan pH yang diinginkan, dapat dibuat dengan mencampurkan asam-basa konjugat yang msing-
masing telah dihitung konsentrasinya. Kadang-kadang salah satu dari pasangan konjugat itu, tidak tersedia atau sulit diperoleh atau sangat sulit untuk ditimbang. Pada kasus seperti
itu, bufer dapat dibuat dengan mencampurkan asam lemah berlebihan dengan basa kuat yang sesuai atau basa lemah berlebihan dengan asam kuat yang sesuai.
Contoh 7.
Akan dibuat bufer dengan mencampurkan 500 ml 0,20 M asam asetat dengan 1,00 gram Natrium hidroksida. K
a
asam asetat = 1,76 x 10
-5
. Berapakah pH bufer yang terjadi. Penyekesaian.
Reaksi asam asetat dengan NaOH adalah : CH
3
CO
2
H + NaOH →
CH
3
CO
2
Na + H
2
O Komposisi larutan setelah reaksi adalah sebagi berikut :
Jumlah CH
3
CO
2
H semula = 500 mL x 0,2 M = 100 mmol Jumlah NaOH yang ditambah = jumlah CH
3
CO
2
H yang bereaksi = jumlah CH
3
CIO
2
Na yang terbentuk =
1
40 100
−
mol mg
mg = 25 mmol
Jumlah CH
3
CO
2
H yang sisa = 100 mmol - 25 mmol = 75 mmol. Yang ada dalam larutan sekarang adalah campuran asam lemah, CH
3
CO
2
H dan CH
3
CO
2
Na dan ini merupakan pasangan asam-basa konjugat. Jadi merupakan bufer.
Jadi [CH
3
CO
2
H] =
COOH CH
C
3
= 75 mmol500 mL = 0,15 M [CH
3
CO
2 -
] =
COONa CH
C
3
= 25 mmol 500 mL = 0,050 M
84 pH = pKa - log
[ ]
[ ]
−
A HA
= 4,75 - log 05
, 15
, = 4,28.
pH bufer seperti yang dibuat di atas contoh seringkali berbeda dengan harga yang diinginkan.
Perbedaan ini bisa mencapai 0,5 satuan pH. Hal ini terutama disebabkan oleh ketidaktentuan harga tetapan kesetimbangan. Sebenarnya yang
digunakan untuk menentukan harga tetapan kesetimbangan K
a
atau K
b
adalah aktivitas, bukan konsentrasi. Untuk menghindarkan perbedaan pH bufer yang dibuat dengan pH
bufer yang diinginkan, maka digunakan alat
pH meter Gambar 4.
Caranya elektrode dari pH meter dicelupkan ke dalam 500 mL asam asetat dan kemudian perlahan-lahan
ditambahkan NaOH sampai angka menunjukkan pH yang diiinginkan.