Konsep Larutan Penyangga: Jenis, Rumus, Cara Kerja dan Kapasitas Buffer

Untuk beberapa tujuan, kita membutuhkan larutan yang harus memiliki pH konstan. Banyak reaksi, terutama reaksi biokimia, harus dilakukan pada pH konstan. Tetapi diamati bahwa larutan dan bahkan air murni (pH = 7) tidak dapat mempertahankan pH konstan untuk waktu yang lama. Jika larutan bersentuhan dengan udara, larutan akan menyerap CO₂ dan menjadi lebih asam. Jika larutan disimpan dalam botol kaca, kotoran alkali larut dari kaca dan larutan menjadi basa.

Larutan yang pH-nya tidak banyak berubah dengan penambahan sejumlah kecil asam (ion H⁺⁾ atau basa (ion OH^-) disebut larutan penyangga. Ini juga dapat didefinisikan sebagai larutan yang menahan perubahan pH pada penambahan sejumlah kecil asam atau alkali.

Karakteristik Umum Larutan Penyangga

(i) Memiliki pH yang pasti.

(ii) pH-nya tidak berubah saat disimpan lama.

(iii) pH-nya tidak berubah pada pengenceran.

(iv) pH-nya sedikit berubah oleh penambahan sejumlah kecil asam atau basa.

Larutan penyangga dapat diperoleh:

(i) dengan mencampurkan asam lemah dengan garamnya yang bersifat basa kuat, misalnya,

(a) CH₃COOH + CH₃COONa

(b) Asam borat + Boraks

(c) Asam ftalat + Asam kalium ftalat

(ii) dengan mencampurkan basa lemah dengan garamnya yang bersifat asam kuat,

misalnya,

(a) NH₄OH + NH₄Cl

(b) Glisin + Glikin hidroklorida

(iii) dengan larutan amfolit. Amfolit atau elektrolit amfoter adalah zat yang menunjukkan sifat asam dan basa. Protein dan asam amino adalah contoh elektrolit tersebut.

(iv) dengan campuran garam asam dan garam normal dari asam polibasa, misalnya, Na₂HPO₄ + Na₃PO₄ atau garam asam lemah dan basa lemah, seperti CH₃COONH₄. Jenis pertama dan kedua juga disebut buffer asam dan basa masing-masing.  

Mekanisme Larutan Penyangga

(1) Penyangga asam

Misalkan suatu campuran larutan asam asetat dan natrium asetat. Asam asetat terionisasi lemah sedangkan natrium asetat hampir sepenuhnya terionisasi. Oleh itu, campuran larutan mengandung molekul CH₃COOH , ion CH₃COO^-,  ion Na⁺, ion H⁺ dan ion OH^-. Jadi, kita memiliki kesetimbangan berikut dalam larutan:

CH₃COOH  ⇌ CH₃COO^- + H⁺ (terionisasi lemah)

CH₃COONa ⇌ CH₃COO^- + Na⁺ (terionisasi sempurna)

H₂O ⇌ H⁺ + OH^- (terionisasi sangat lemah)

Ketika setetes asam kuat, katakanlah HCl, ditambahkan, ion H⁺ yang dilepaskan oleh HCl bereaksi dengan ion CH₃COO^- untuk membentuk CH₃COOH (terionisasi lemah) yang ionisasinya lebih lanjut ditekan karena efek ion umum. Dengan demikian, akan ada efek yang sangat kecil dalam konsentrasi ion H⁺ atau nilai pH secara keseluruhan.

Ketika setetes NaOH ditambahkan, ia akan bereaksi dengan asam bebas untuk membentuk molekul air yang tidak terdisosiasi.

CH₃COOH + OH^-  ⇌ CH₃COO^- + H₂O

Dengan demikian, ion OH- yang dilepaskan oleh basa bereaksi dengan CH₃COOH dan pH larutan praktis tidak berubah.

(2) Penyangga basa

Misalkan suatu larutan yang mengandung campuran NH₄OH dan garamnya NH₄Cl. Dalam campuran larutan akan memiliki molekul NH₄OH, ion NH₄⁺, ion Cl^-, ion OH^- dan ion H⁺.

NH₄OH  ⇌ NH₄⁺ + OH^- (terionisasi lemah)

NH₄Cl ⇌ NH₄⁺ + Cl^- (terionisasi sempurna)

H₂O ⇌ H⁺ + OH^- (terionisasi sangat lemah)

Ketika setetes NaOH ditambahkan, ion OH^- yang ditambahkan bergabung dengan ion NH₄⁺ untuk membentuk NH₄OH yang terionisasi lemah yang ionisasinya lebih lanjut ditekan karena efek ion yang umum. Dengan demikian, pH tidak terlalu terganggu.

NH₄⁺ + OH^- ⇌ NH₄OH

Ketika setetes HCl ditambahkan, ion H⁺ yang ditambahkan bergabung dengan NH₄OH untuk membentuk molekul air yang tidak terdisosiasi.

NH₄OH + H⁺ ⇌ NH₄⁺ + H₂O

Dengan demikian, pH buffer praktis tidak terpengaruh.

Persamaan Henderson’s (pH larutan buffer)

(i) Penyangga asam: Terdiri dari campuran asam lemah dan garamnya (basa kuat). Ionisasi asam lemah, HA, dapat ditunjukkan dengan persamaan berikut:

HA   ⇌   H⁺ + A^-

Tetapan ionisasi asam (Ka) dari HA yaitu:

atau

 

Dapat diasumsikan bahwa dengan kehadiran garam BA maka konsentrasi ion A^-dari ionisasi sempurna garam BA terlalu besar untuk dibandingkan dengan konsentrasi ion A^- dari asam HA. Sehingga konsentrasi ion A^- hasil penguraian HA diabaikan (karena relatif sangat kecil jika dibandingkan konsentrasi ion A^- hasil penguraian BA).  

BA   ⇌   B⁺ + A^-

Jadi, [HA] merupakan konsentrasi awal asam dan [A^-] merupakan konsentrasi ion A^- pada garam. Jadi:

 

 

Persamaan ini dikenal sebagai persamaan Henderson.

Ketika [garam]/[asam] =  10, maka

pH = pKa + 1

Dan ketika [garam]/[asam] =  1/10, maka

pH = pKa - 1

Jadi, asam lemah dapat digunakan untuk menyiapkan larutan buffer yang memiliki nilai pH yang berada dalam kisaran pKa + 1 dan pKa - 1. Asam asetat memiliki pKa sekitar 4,8; oleh karena itu, dapat digunakan untuk membuat larutan buffer dengan nilai pH kira-kira berada dalam kisaran 3,8 hingga 5,8.

(i) Penyangga basa: Terdiri dari campuran basa lemah dan garamnya (asam kuat). Ionisasi basam lemah, BOH, dapat ditunjukkan dengan persamaan berikut:

BOH   ⇌   B⁺ + OH^-

Tetapan ionisasi basa (Kb) dari BOH yaitu:

atau

 

Dapat diasumsikan bahwa dengan kehadiran garam BA maka konsentrasi ion B⁺ dari ionisasi sempurna garam BA terlalu besar untuk dibandingkan dengan konsentrasi ion B⁺ dari basa BOH. Sehingga konsentrasi ion B⁺ hasil penguraian BOH diabaikan (karena relatif sangat kecil jika dibandingkan konsentrasi ion B⁺ hasil penguraian BA).  

BA   ⇌   B⁺ + A^-

Jadi, [BOH] merupakan konsentrasi awal basa dan [B⁺] merupakan konsentrasi ion B⁺ pada garam. Jadi:

Kapasitas Buffer

Kemampuan larutan buffer untuk menahan perubahan nilai pH-nya dikenal sebagai kapasitas buffer. Jika rasio [garam]/[asam] atau [garam]/[basa] adalah 1, pH buffer tidak berubah sama sekali. Kapasitas buffer didefinisikan secara kuantitatif sebagai jumlah mol asam atau basa yang ditambahkan dalam satu liter larutan untuk mengubah pH sebanyak 1 satuan.

 

Dimana,

Ф = kapasitas buffer

∂b = jumlah mol asam atau basa yang ditambahkan ke 1 liter larutan

∂(pH) = perubahan pH

Kapasitas buffer adalah maksimum ketika:

(i) [garam] = [asam], pH = pKa untuk penyangga asam

(ii) [garam] = [basa], pOH = pKb untuk penyangga basa

Dalam kondisi seperti di atas, buffer disebut efisien

Eksperimen Indikator Asam Basa: Bahan Alami vs Indikator Sintetis

 

A. Latar Belakang

Konsep asam-basa memainkan peran penting dalam berbagai bidang ilmu, termasuk kimia, biologi, dan lingkungan. Indikator asam-basa digunakan untuk mendeteksi sifat larutan, baik secara alami maupun sintetis. Proyek ini bertujuan untuk mengeksplorasi indikator asam-basa menggunakan bahan alami dan sintetik, serta memahami cara kerja dan perbedaan indikator tersebut.

B. Tujuan Proyek

1. Mengidentifikasi dan memahami sifat teh sebagai indikator asam-basa.

2. Mengekstraksi dan mengevaluasi indikator alami dari bunga taman.

3. Mempelajari sifat indikator sintetis yang umum digunakan di laboratorium.

4. Membandingkan respons indikator alami dan sintetis terhadap larutan asam dan basa.

C. Prosedur Kerja

1. Teh sebagai Indikator Asam-Basa

· Siapkan secangkir teh panas.

· Tambahkan beberapa tetes jus lemon.

· Amati perubahan warna yang terjadi dan catat respons teh terhadap kehadiran asam.

· Diskusikan mekanisme di balik perubahan warna teh sebagai indikator asam-basa.

2. Ekstraksi Pewarna dari Bunga Taman

· Pilih bunga dengan warna cerah, seperti bunga sepatu, mawar, atau bougenville.

· Haluskan bunga dengan sedikit air, kemudian saring untuk mendapatkan larutan pewarna.

· Tes larutan pewarna dengan asam (misalnya jus lemon atau asam cuka) dan basa (larutan soda kue atau deterjen).

· Amati perubahan warna dan catat hasilnya.

3. Eksperimen dengan Indikator Sintetis

· Gunakan indikator seperti fenolftalein, metil oranye, metil merah, bromthymol biru, dan lainnya.

· Uji masing-masing indikator dengan larutan asam (misalnya HCl) dan basa (misalnya NaOH).

· Catat perubahan warna dan sifat masing-masing indikator.

4. Perbandingan Indikator Alami dan Sintetis

· Diskusikan perbedaan respons warna, sensitivitas, dan sifat lainnya antara indikator alami dan sintetis.

· Catat indikator mana yang lebih mudah digunakan dan mengapa.

D. Hasil yang Diharapkan

1. Pemahaman bahwa teh mengandung senyawa yang dapat berfungsi sebagai indikator alami.

2. Identifikasi bunga yang efektif sebagai indikator alami.

3. Data perubahan warna indikator sintetis dengan berbagai larutan asam dan basa.

4. Perbandingan kelebihan dan kekurangan indikator alami vs. sintetis.

E. Output Proyek

· Laporan tertulis yang mencakup hasil pengamatan, tabel data, dan analisis.

· Poster atau presentasi visual untuk menjelaskan temuan proyek.

· Saran untuk aplikasi indikator alami dan sintetik dalam kehidupan sehari-hari.

F. Evaluasi Proyek

· Keakuratan data perubahan warna pada masing-masing larutan.

· Kemampuan membandingkan indikator alami dan sintetis secara sistematis.

• Pemahaman konseptual tentang mekanisme kerja indikator asam-basa.

Praktikum Uji Asam Basa: Metode, Indikator, dan Hasil Pengamatan

A. Tujuan Praktikum

 

Tujuan praktikum ini adalah peserta didik dapat mengidentifikasi sifat asam atau basa dari berbagai zat.

 

B. Alat dan Bahan

 

1. Jus acar

2. pH paper dengan skala warna

3. Sendok teh

4. Baking soda (natrium bikarbonat)

5. Air

6. Gelas kimia atau botol vial kecil

7. Deterjen pencuci piring bubuk/natrium karbonat

8. Buku catatan

9. Pulpen atau pensil

10. Asam cuka

11. Jus lemon

12. Jus tomat

13. Jus jeruk

14. Susu

15. Sabun

 

C. Prosedur Kerja

1. Cicipi beberapa tetes jus acar (aman untuk mencicipi jus acar). Apakah menurut Anda itu asam atau basa? Uji prediksi Anda. Celupkan selembar kertas pH ke dalam jus acar. Bandingkan warna strip basah dengan bagan warna pada wadah kertas pH. Apakah prediksi Anda benar? Jangan gunakan selembar kertas pH lebih dari sekali.

2. Campurkan satu sendok teh soda kue dengan sedikit air dalam gelas kimia atau botol vial kecil. Lakukan hal yang sama dengan deterjen pencuci piring bubuk. Gunakan kertas pH untuk menentukan pH keduanya.

3. Tuang asam cuka ke dalam gelas kimia atau botol vial kecil. Celupkan salah satu ujung strip kertas pH ke dalam cuka. Berapa pH cuka? Catat pH itu di buku catatan Anda.

4. Ulangi prosedur untuk masing-masing zat lainnya. Yang mana zat yang paling asam (pH terendah)? Zat mana yang paling tidak asam (pH tertinggi)? Zat apa yang asam? Zat mana yang basa?.

5. Zat dengan pH 3 hanya seperseratus (1/100) kali tingkat keasamannya dibanding zat dengan pH 1. Untuk melihat bahwa ini benar, ukur pH 1 mL jus lemon. Encerkan 1 mL dengan menambahkan 99 mL air. Berapa pH yang dapat Anda harapkan setelah menambahkan 99 mL air ke 1 mL jus lemon? Ukur pH. Apakah Anda benar?

D. Tabel Pengamatan