Larutan penyangga (buffer) adalah larutan yang dapat menjaga (mempertahankan) pH-nya dari penambahan asam, basa, maupun pengenceran oleh air. pH larutan buffer tidak berubah (konstan) setelah penambahan sejumlah asam, basa, maupun air. Larutan buffer mampu menetralkan penambahan asam maupun basa dari luar.
Larutan buffer merupakan campuran dari asam lemah dan basa konyugasinya maupun basa lemah dan asam konyugasinya. Sebagai contoh, campuran dari larutan CH3COOH (asam lemah) dan larutan CH3COONa (basa konyugasi) membentuk larutan buffer asam. Sedangkan salah satu contoh buffer basa yang sering digunakan di laboratorium adalah campuran dari larutan NH3 (basa lemah) dan NH4Cl (asam konyugasi).
Mekanisme kerja larutan buffer adalah menetralkan asam maupun basa dari luar. Masing-masing komponen dalam larutan buffer mampu menetralkan asam maupun basa dari luar. Dalam larutan buffer asam (sebagai contoh : CH3COOH/CH3COONa), terjadi kesetimbangan sebagai berikut :
CH3COOH(aq) + H2O(l) <——> CH3COO
-(aq) + H3O
+(aq)
Komponen asam lemah dan basa konyugasi dalam larutan buffer asam membentuk sistem kesetimbangan asam lemah. Saat sejumlah larutan asam ditambahkan dari luar, komponen CH3COO
- bekerja untuk menetralkan ion H
+ larutan asam. Akibatnya, kesetimbangan bergeser ke arah kiri. Jumlah ion CH3COO
- akan berkurang dan sebaliknya, jumlah molekul CH3COOH akan meningkat.
CH3COO
-(aq) + H
+(aq) → CH3COOH(aq)
Di sisi lain, saat sejumlah larutan basa ditambahkan dari luar, komponen CH3COOH bekerja untuk menetralkan ion OH
- larutan basa. Akibatnya, kesetimbangan asam lemah bergeser ke arah kanan. Jumlah molekul CH3COOH akan berkurang dan sebaliknya jumlah ion CH3COO
- akan meningkat.
CH3COOH(aq) + OH
-(aq) → CH3COO
-(aq) + H2O(l)
Dalam larutan buffer basa (sebagai contoh : NH3/NH4Cl), terjadi kesetimbangan sebagai berikut :
NH3(aq) + H2O(l) <——> NH4
+(aq) + OH
-(aq)
Komponen basa lemah dan asam konyugasi dalam larutan buffer basa membentuk sistem kesetimbangan basa lemah. Saat sejumlah larutan asam ditambahkan dari luar, komponen NH3 bekerja untuk menetralkan ion H
+larutan asam. Akibatnya, kesetimbangan bergeser ke arah kanan. Jumlah molekul NH3 akan berkurang dan sebaliknya jumlah ion NH4
+ akan meningkat.
NH3(aq) + H
+(aq) → NH4
+(aq)
Di sisi lain, saat sejumlah larutan basa ditambahkan dari luar, komponen NH4
+ bekerja untuk menetralkan ion OH
- larutan basa. Akibatnya, kesetimbangan basa lemah bergeser ke arah kiri. Jumlah ion NH4
+ akan berkurang dan sebaliknya jumlah molekul NH3 akan bertambah.
NH4
+(aq) + OH
-(aq) → NH3(aq) + H2O(l)
Larutan buffer dapat dibuat dengan berbagai cara. Larutan buffer asam dapat dibuat dengan cara mencampurkan sejumlah larutan asam lemah dengan larutan basa konyugasinya secara langsung. Selain itu, larutan buffer asam juga dapat dibuat dengan mencampurkan sejumlah larutan basa kuat dengan larutan asam lemah berlebih. Setelah reaksi selesai, campuran dari larutan basa konyugasi yang terbentuk dan sisa larutan asam lemah membentuk larutan buffer asam.
Dengan cara yang serupa, larutan buffer basa juga dapat dibuat melalui dua cara. Pertama, mencampurkan sejumlah larutan basa lemah dengan larutan asam konyugasinya secara langsung. Atau melalui cara kedua, mencampurkan sejumlah larutan asam kuat dengan larutan basa lemah berlebih. Setelah reaksi selesai, campuran dari larutan asam konyugasi yang terbentuk dan sisa larutan basa lemah membentuk larutan buffer basa.
Larutan buffer berkaitan dengan sistem kesetimbangan asam-basa lemah. Dengan demikian, persamaan matematis untuk menentukan pH larutan penyangga dapat diturunkan melalui persamaan reaksi kesetimbangan asam-basa lemah. Persamaan untuk menghitung pH larutan buffer asam dapat dipelajari melalui contoh berikut :
CH3COOH(aq) + H2O(l) <——> CH3COO
-(aq) + H3O
+(aq)
Ka = {[H3O
+][CH3COO
-]} / [CH3COOH]
[H3O
+] = Ka {[CH3COOH]} / [CH3COO
-]}
Secara umum :
[H3O
+] = Ka {[Asam Lemah] / [Basa Konyugasi]}
[H3O
+] = Ka {mol Asam Lemah / mol Basa Konyugasi}
Sebaliknya, persamaan untuk menghitung pH larutan buffer basa dapat dipelajari melalui contoh di bawah ini :
NH3(aq) + H2O(l) <——> NH4+(aq) + OH
-(aq)
Kb = {[OH
-][NH4
+]} / [NH3]
[OH
-] = Kb {[NH3] / [NH4
+]}
Secara umum :
[OH
-] = Kb {[Basa Lemah] / [Asam Konyugasi]}
[OH
-] = Kb {mol Basa Lemah / mol Asam Konyugasi}
Berikut ini adalah beberapa contoh beserta penyelesaian soal-soal yang berkaitan dengan larutan penyangga yang baru saja kita pelajarai bersama :
1. Berapakah pH larutan penyangga yang terbuat dari campuran larutan CH3COOH 0,2 M sebanyak 100 mL dengan larutan CH3COONa 0,2 M sebanyak 100 mL? (Ka CH3COOH = 1 . 10
-5)
Penyelesaian :
Saat 100 mL larutan CH3COOH 0,2 M dicampurkan dengan 100 mL larutan CH3COONa 0,2 M, terjadi peristiwa pengenceran larutan.
Konsentrasi larutan CH3COOH setelah diencerkan :
V1 M1 = V2 M2
100 . 0,2 = 200 . M2
M2 = 0,1 M
Konsentrasi larutan CH3COONa setelah diencerkan :
V1 M1 = V2 M2
100 . 0,2 = 200 . M2
M2 = 0,1 M
Dengan demikian, pH larutan buffer tersebut menjadi :
[H3O
+] = Ka {[Asam Lemah] / [Basa Konyugasi]}
[H3O
+] = 1 . 10
-5 {0,1 /0,1}
[H3O
+] = 1 . 10
-5
pH = 5 – log 1
2. Larutan buffer yang tersusun atas larutan NH4OH 0,05 M dengan larutan NH4Cl 0,1 M memiliki pH sebesar 9. Berapakah perbandingan volume larutan basa lemah terhadap larutan asam konyugasinya? (Kb NH4OH = 10
-5 )
Penyelesaian :
Persamaan untuk menghitung pH larutan buffer basa adalah sebagai berikut :
[OH
-] = Kb {[NH4OH] / [NH4
+]}
[OH
-] = Kb {mol NH4OH / mol NH4
+}
[OH
-] = Kb {Vbasa . Mbasa / Vasam konyugasi . Masam konyugasi}
pH = 9, berarti pOH = 14 – pH = 14 – 9 = 5
Sehingga : [OH-] = 10
-5 M
Dengan demikian : 10
-5 = 10
-5 {Vbasa . 0,05 / Vasam konyugasi . 0,1}
Vbasa / Vasam konyugasi = 0,1 / 0,05 = 2/1
Jadi, perbandingan volume larutan basa lemah terhadap larutan asam konyugasinya adalah 2 : 1
3. Berapakah pH campuran yang terbentuk saat larutan amonia 0,1 M sebanyak 300 mL dicampurkan dengan 100 mL larutan asam klorida 0,1 M? (Kb amonia = 10
-5 dan log 2 = 0,3)
Penyelesaian :
Reaksi yang terjadi adalah reaksi netralisasi (asam + basa → garam + air)
NH3 + HCl → NH4Cl
Mol NH3 yang disediakan = V.M = 300.0,1 = 30 mmol
Mol HCl yang disediakan = V.M = 100.0,1 = 10 mmol
Perbandingan stoikiometri NH3 : HCl = 1 : 1
Dengan demikian, sebanyak 10 mmol NH3 tepat bereaksi dengan 10 mmol HCl dan menghasilkan 10 mmol NH4Cl.Pada akhir reaksi, masih tersisa 20 mmol NH3 dan 10 mmol NH4Cl. Campuran tersebut membentuk sistem buffer basa.
Jadi, perhitungan pH larutan buffer basa di atas dapat menggunakan persamaan berikut :
[OH
-] = Kb {mol basa lemah / mol asam konyugasi}
[OH
-] = 10
-5 {20/10}
[OH
-] = 2 . 10
-5 M
pOH = – log [OH
-] = 5 – log 2
pH = 14 – pOH = 14 – (5 – log 2) = 9 + log 2 = 9 + 0,3 = 9,3
4. Berapakah volume larutan NaOH 0,1 M yang diperlukan ditambahkan ke dalam 40 mL larutan asam asetat 0,1 M (Ka = 1.10
-5) agar diperoleh larutan penyangga dengan pH = 5?
Penyelesaian :
Reaksi kimia yang terjadi adalah sebagai berikut :
CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O
Mol CH3COOH yang disediakan = V.M = 40.0,1 = 4 mmol
Mol NaOH yang disediakan = x mmol
Perbandingan stoikiometri CH3COOH : NaOH = 1 : 1
Agar membentuk larutan penyangga, seluruh mol NaOH harus tepat habis bereaksi. Dengan demikian, sebanyak x mmol NaOH memerlukan x mmol CH3COOH. Pada akhir reaksi, masih tersisa (4 – x) mmol CH3COOH dan terbentuk x mmol CH3COONa.
Persamaan yang digunakan adalah sebagai berikut :
[H3O
+] = Ka {mol asam lemah / mol basa konyugasi}
pH = 5, berarti [H3O
+] = 10
-5 M
10
-5 = 10
-5 {4 – x / x}
4 – x = x
x = 2 mmol
Mol NaOH yang dibutuhkan sebanyak 2 mmol.
Dengan demikian, volume larutan NaOH 0,1 M yang dibutuhkan adalah sebanyak 2/0,1 = 20 mL
Berikut ini adalah beberapa contoh
reaksi pembentukan garam (dikenal pula dengan istilah
reaksi penggaraman atau
reaksi netralisasi) :
HCl
(aq) + NaOH
(aq) → NaCl
(aq) + H
2O
(l)
H
2SO
4(aq) + 2 NH
4OH
(aq) → (NH
4)
2SO
4(aq) + 2 H
2O
(l)
2 HCN
(aq) + Ba(OH)
2(aq) → Ba(CN)
2(aq) + 2 H
2O
(l)
H
2CO
3(aq) + Mg(OH)
2(aq) → MgCO
3(s) + 2 H
2O
(l)
Reaksi kebalikan dari reaksi
penggaraman dikenal dengan istilah reaksi
hidrolisis. Reaksi
hidrolisis adalah reaksi salah satu ion atau kedua ion larutan garam dengan air. Reaksi salah satu atau kedua ion larutan garam dengan air menyebabkan perubahan konsentrasi ion H
+ maupun ion OH
- dalam larutan. Akibatnya, larutan garam dapat bersifat asam, basa, maupun netral.
Sebagaimana yang telah kita pelajari sebelumnya, kita mengenal dua jenis asam, yaitu asam kuat dan asam lemah. Demikian halnya dengan basa, kita mengenal istilah basa kuat dan basa lemah (
lihat : Kimia Asam Basa). Dengan demikian, terdapat empat variasi reaksi antara asam dan basa membentuk garam, yaitu :
1. Reaksi antara asam kuat dengan basa kuat
Contoh : HBr
(aq) + KOH
(aq) → KBr
(aq) + H
2O
(l)
Garam yang terbentuk mengalami ionisasi sempurna dalam air
KBr
(aq) → K
+(aq) + Br
-(aq)
Baik kation maupun anion, hanya terhidrasi oleh air, tidak mengalami reaksi dengan air. Dengan demikian, garam tersebut
tidak terhidrolisis dalam air. Akibatnya, konsentrasi ion H
+ tidak berubah terhadap konsentrasi ion OH
-. Larutan garam bersifat
netral. Larutan garam tersebut memiliki
pH = 7.
2. Reaksi antara asam kuat dengan basa lemah
Contoh : HNO
3(aq) + NH
4OH
(aq) → NH
4NO
3(aq) + H
2O
(l)
Garam yang terbentuk mengalami ionisasi sempurna dalam air
NH
4NO
3(aq) → NH
4+(aq) + NO
3-(aq)
Anion tidak mengalami hidrolisis dengan air, sebab anion berasal dari spesi asam kuat. Namun sebaliknya, kation yang berasal dari spesi basa lemah mengalami hidrolisis. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :
NH
4+(aq) + H
2O
(l) <——> NH
4OH
(aq) + H
+(aq)
Hidrolisis kation yang berasal dari basa lemah menghasilkan ion H
+. Akibatnya, konsentrasi ion H
+ menjadi lebih tinggi dibandingkan konsentrasi ion OH
-. Dengan demikian, larutan garam tersebut mengalami
hidrolisis sebagian (parsial). Larutan garam tersebut bersifat
asam dan memiliki
pH < 7.
3. Reaksi antara asam lemah dengan basa kuat
Contoh : HCN
(aq) + NaOH
(aq) → NaCN
(aq) + H
2O
(l)
Garam yang terbentuk mengalami ionisasi sempurna dalam air
NaCN
(aq) → Na
+(aq) + CN
-(aq)
Kation tidak mengalami hidrolisis dengan air, sebab kation berasal dari spesi basa kuat. Namun sebaliknya, anion yang berasal dari spesi asam lemah mengalami hidrolisis. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :
CN
-(aq) + H
2O
(l) <——> HCN
(aq) + OH
-(aq)
Hidrolisis anion yang berasal dari asam lemah menghasilkan ion OH
-. Akibatnya, konsentrasi ion OH
- menjadi lebih tinggi dibandingkan konsentrasi ion H
+. Dengan demikian, larutan garam tersebut mengalami
hidrolisis sebagian (parsial). Larutan garam tersebut bersifat
basa dan memiliki
pH > 7.
4. Reaksi antara asam lemah dengan basa lemah
Contoh : HF
(aq) + NH
4OH
(aq) → NH
4F
(aq) + H
2O
(l)
Garam yang terbentuk mengalami ionisasi sempurna dalam air
NH
4F
(aq) → NH
4+(aq) + F
-(aq)
Baik kation maupun anion, sama-sama mengalami hidrolisis, sebab keduanya berasal dari spesi lemah. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :
NH
4+(aq) + H
2O
(l) <——> NH
4OH
(aq) + H
+(aq)
F
-(aq) + H
2O
(l) <——> HF
(aq) + OH
-(aq)
Ternyata, hidrolisis kedua ion tersebut menghasilkan ion H
+ maupun ion OH
-. Dengan demikian, larutan garam tersebut mengalami
hidrolisis total (sempurna). Sifat larutan yang dihasilkan bergantung pada perbandingan kekuatan asam lemah (K
a) terhadap kekuatan basa lemah (K
b).
Ada tiga kemungkinan perbandingan nilai K
a terhadap K
b :
a. Ka > Kb : sifat asam lebih mendominasi; larutan garam bersifat
asam;
pH larutan garam kurang dari 7
b. Ka = Kb : sifat asam maupun basa sama-sama mendominasi; larutan garam bersifat
netral;
pH larutan garam sama dengan 7
c. Ka < Kb : sifat basa lebih mendominasi; larutan garam bersifat
basa;
pH larutan garam lebih dari 7
Persamaan yang dapat digunakan untuk menghitung pH larutan masing-masing larutan garam adalah sebagai berikut :
1. Larutan garam yang terbentuk dari asam kuat dan basa kuat
pH = 7
2. Larutan garam yang terbentuk dari asam kuat dan basa lemah
[H
+] = {(K
w/K
b)([ion yang terhidrolisis])}
1/2
3. Larutan garam yang terbentuk dari asam lemah dan basa kuat
[OH
-] = {(K
w /K
a)([ion yang terhidrolisis])}
1/2
4. Larutan garam yang terbentuk dari asam lemah dan basa lemah
[H
+] = {K
w (K
a / K
b)}
1/2
Berikut ini adalah beberapa contoh beserta penyelesaian soal-soal yang berkaitan dengan
hidrolisis garam yang baru saja kita pelajarai bersama :
1. Berapakah pH larutan dari 100 mL larutan natrium sianida 0,01 M? (K
a HCN = 10
-10)
Penyelesaian :
Larutan natrium sianida terbentuk dari campuran basa kuat (NaOH) dengan asam lemah (HCN). Dengan demikian, larutan garam tersebut mengalami hidrolisis parsial dan bersifat basa.
NaCN
(aq) → Na
+(aq) + CN
-(aq)
Ion yang terhidrolisis adalah ion CN
-. Konsentrasi ion CN
- adalah 0,01 M. Dengan demikian, pH larutan garam dapat diperoleh melalui persamaan berikut :
[OH
-] = {(K
w /K
a)([ion yang terhidrolisis])}
1/2
[OH
-] = {(10
-14 / 10
-10)(0,01)}
1/2
[OH
-] = 10
-3 M
Dengan demikian, pOH larutan adalah 3. Jadi, pH larutan garam tersebut adalah 11.
2. Berapakah pH larutan dari 200 mL larutan barium asetat 0,1 M? (K
a CH
3COOH = 2.10
-5)
Penyelesaian :
Larutan barium asetat terbentuk dari campuran basa kuat (Ba(OH)
2) dengan asam lemah (CH
3COOH). Dengan demikian, larutan garam tersebut mengalami hidrolisis parsial dan bersifat basa.
Ba(CH
3COO)
2(aq) → Ba
+2(aq) + 2 CH
3COO
-(aq)
Ion yang terhidrolisis adalah ion CH
3COO
-. Konsentrasi ion CH
3COO
- adalah 0,2 M. Dengan demikian, pH larutan garam dapat diperoleh melalui persamaan berikut :
[OH
-] = {(K
w /K
a)([ion yang terhidrolisis])}
1/2
[OH
-] = {(10
-14 / 2.10
-5)(0,2)}
1/2
[OH
-] = 10
-5 M
Dengan demikian, pOH larutan adalah 5. Jadi, pH larutan garam tersebut adalah 9.
3. Hitunglah pH larutan NH
4Cl 0,42 M! (K
b NH
4OH = 1,8.10
-5)
Penyelesaian :
Larutan amonium klorida terbentuk dari campuran basa lemah (NH
4OH) dengan asam kuat (HCl). Dengan demikian, larutan garam tersebut mengalami hidrolisis parsial dan bersifat asam.
NH
4Cl
(aq) → NH
4+(aq) + Cl
-(aq)
Ion yang terhidrolisis adalah ion NH
4+. Konsentrasi ion NH
4+ adalah 0,42 M. Dengan demikian, pH larutan garam dapat diperoleh melalui persamaan berikut :
[H
+] = {(K
w /K
b)([ion yang terhidrolisis])}
1/2
[H
+] = {(10
-14 / 1,8.10
-5)(0,42)}
1/2
[H
+] = 1,53.10
-5 M
Dengan demikian, pH larutan garam tersebut adalah 4,82.
4. Hitunglah pH larutan NH
4CN 2,00 M! (K
a HCN = 4,9.10
-10 dan K
b NH
4OH = 1,8.10
-5)
Penyelesaian :
Larutan amonium sianida terbentuk dari campuran basa lemah (NH
4OH) dengan asam lemah (HCN). Dengan demikian, larutan garam tersebut mengalami hidrolisis total.
NH
4Cl
(aq) → NH
4+(aq) + CN
-(aq)
Ion yang terhidrolisis adalah ion NH
4+ dan ion CN
-. Dengan demikian, pH larutan garam dapat diperoleh melalui persamaan berikut :
[H
+] = {K
w (K
a/K
b)}
1/2
[H
+] = {10
-14 (4,9.10
-10 / 1,8.10
-5)}
1/2
[H
+] = 5,22.10
-10 M
Dengan demikian, pH larutan garam tersebut adalah 9,28.
5. Berapakah massa garam NaCN yang harus dilarutkan untuk membentuk 250 mL larutan dengan pH sebesar 10? (K
a HCN = 10
-10 dan Mr NaCN = 49)
Penyelesaian :
Larutan natrium sianida terbentuk dari campuran basa kuat (NaOH) dengan asam lemah (HCN). Dengan demikian, larutan garam tersebut mengalami hidrolisis parsial dan bersifat basa.
NaCN
(aq) → Na
+(aq) + CN
-(aq)
pH = 10, berarti pOH = 4
Dengan demikian, [OH
-] = 10
-4 M
Perhitungan pH larutan garam dapat diperoleh melalui persamaan berikut :
[OH
-] = {(K
w/K
a)([ion yang terhidrolisis])}
1/2
10
-4 = {(10
-14 / 10
-10)[ion yang terhidrolisis]}
1/2
[ion yang terhidrolisis] = 10
-4 M
Konsentrasi garam NaCN yang diperlukan sebesar 10
-4 M. Volume larutan sebanyak 250 mL = 0,25 L. Dengan demikian, mol garam NaCN yang dibutuhkan adalah :
Mol = Volume x Molar
Mol = 0,25 x 10
-4 = 2,5 x 10
-5 mol
Jadi, massa garam NaCN yang dibutuhkan sebanyak 2,5 x 10
-5 x 49 = 1,225 x 10
-3 gram = 1,225 mg.
