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

Pentingnya Menjaga Keseimbangan pH dalam Tubuh dengan Peranan Larutan Penyangga

Larutan penyangga adalah suatu campuran zat yang dapat menahan perubahan pH ketika terjadi penambahan asam atau basa. Dalam tubuh, larutan penyangga memiliki peran penting dalam menjaga keseimbangan pH darah, air liur, dan enzim. Dalam artikel ini, kita akan membahas secara rinci tentang peranan larutan penyangga dalam menjaga keseimbangan pH dan fungsi dari tiga komponen tersebut.

pH darah

pH  yang normal berkisar antara 7,35 hingga 7,45. Kondisi pH darah yang terlalu tinggi (alkalosis) atau terlalu rendah (asidosis) dapat membahayakan kesehatan manusia. pH yang terlalu tinggi atau rendah dapat mempengaruhi fungsi sel dan protein dalam tubuh.

Dalam tubuh, larutan penyangga yang berperan dalam menjaga pH darah adalah sistem bikarbonat (HCO3-)/ asam karbonat (H2CO3). Sistem ini dapat mengubah asam kuat menjadi asam lemah atau basa lemah menjadi basa kuat. Ketika terjadi penambahan asam dalam tubuh, asam tersebut akan bereaksi dengan bikarbonat membentuk asam karbonat. Asam karbonat akan terurai menjadi karbon dioksida dan air. Proses ini disebut sebagai reaksi respirasi.

Ketika terjadi penambahan basa dalam tubuh, asam karbonat akan bereaksi dengan basa membentuk bikarbonat. Proses ini disebut sebagai reaksi metabolik. Dalam sistem bikarbonat/ asam karbonat, ion hidrogen (H+) dan bikarbonat (HCO3-) menjadi penting untuk menjaga keseimbangan pH darah. pH darah yang seimbang sangat penting untuk menjaga fungsi normal organ-organ tubuh.

Air Liur

Air liur adalah cairan yang diproduksi oleh kelenjar liur yang terdapat di dalam mulut. Air liur memiliki pH yang sedikit basa, berkisar antara 6,2 hingga 7,6. pH air liur yang seimbang sangat penting dalam menjaga kesehatan gigi dan mulut.

Dalam air liur, larutan penyangga yang berperan dalam menjaga pH adalah sistem bikarbonat/ asam karbonat. Sistem ini dapat membantu mengatur keseimbangan pH di dalam mulut. Ketika seseorang mengonsumsi makanan atau minuman yang bersifat asam, maka pH di dalam mulut akan menjadi lebih asam. Dalam kondisi ini, sistem bikarbonat/ asam karbonat akan membantu mengubah asam menjadi basa sehingga pH mulut dapat kembali seimbang. pH yang seimbang di dalam mulut sangat penting dalam menjaga kesehatan gigi dan mulut.

Enzim

Enzim adalah senyawa protein yang berperan sebagai katalis dalam reaksi kimia di dalam tubuh. Setiap enzim memiliki pH optimum yang berbeda-beda. pH optimum adalah pH di mana enzim dapat bekerja secara optimal. Jika pH di luar pH optimum enzim, maka aktivitas enzim akan menurun.

Dalam tubuh, larutan penyangga yang berperan dalam menjaga pH enzim adalah sistem fosfat. Sistem ini terdiri dari dua bentuk fosfat, yaitu H2PO4- (asam fosfat) dan HPO42- (fosfat). Ketika pH di dalam tubuh menjadi asam, maka fosfat akan bereaksi dengan ion hidrogen (H+) membentuk asam fosfat. Sebaliknya, ketika pH di dalam tubuh menjadi basa, maka asam fosfat akan bereaksi dengan ion hidroksida (OH-) membentuk fosfat. Proses ini dapat membantu menjaga pH di sekitar enzim agar tetap pada pH optimum.

Pentingnya menjaga keseimbangan pH dalam tubuh

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, keseimbangan pH sangat penting dalam menjaga kesehatan tubuh. Ketidakseimbangan pH yang berkelanjutan dapat menyebabkan beberapa masalah kesehatan, seperti:

Asidosis atau alkalosis: Ketidakseimbangan pH darah yang terus-menerus dapat menyebabkan asidosis atau alkalosis. Asidosis terjadi ketika pH darah menjadi terlalu rendah, sedangkan alkalosis terjadi ketika pH darah menjadi terlalu tinggi. Kondisi ini dapat menyebabkan masalah kesehatan yang serius, seperti gangguan pernapasan, masalah jantung, dan bahkan kematian.

Masalah kesehatan gigi dan mulut: Ketidakseimbangan pH di dalam mulut dapat menyebabkan masalah kesehatan gigi dan mulut, seperti karies gigi, gusi berdarah, dan bau mulut.

Gangguan pencernaan: Kondisi pH yang tidak seimbang di dalam lambung dan usus dapat menyebabkan gangguan pencernaan, seperti GERD (gastroesophageal reflux disease), maag, dan sembelit.

Kesimpulan

Larutan penyangga memainkan peran penting dalam menjaga keseimbangan pH di dalam tubuh. Dalam tubuh, larutan penyangga berperan dalam menjaga keseimbangan pH darah, air liur, dan enzim. Sistem bikarbonat/ asam karbonat berperan dalam menjaga pH darah dan air liur, sementara sistem fosfat berperan dalam menjaga pH di sekitar enzim. Menjaga keseimbangan pH dalam tubuh sangat penting untuk menjaga kesehatan tubuh secara keseluruhan. Ketidakseimbangan pH yang berkelanjutan dapat menyebabkan masalah kesehatan yang serius. Oleh karena itu, penting untuk menjaga keseimbangan pH di dalam tubuh dengan mengonsumsi makanan sehat dan melakukan gaya hidup sehat.

Eksplorasi Sifat Larutan Penyangga dalam Minuman Kemasan: Eksperimen Menarik untuk Siswa SMA

 Tujuan Eksperimen

1. Mengamati sifat larutan penyangga pada minuman kemasan.
2. Memahami pengaruh penambahan asam atau basa terhadap larutan penyangga.

Bahan-bahan yang dibutuhkan

1. Minuman kemasan yang mengandung larutan penyangga (seperti Pocari Sweat)
2. Air
3. Indikator universal (atau pH kertas lakmus merah dan biru)
4. Gelas ukur atau tabung reaksi
5. Pipet

Langkah-langkah Eksperimen

1. Siapkan 50 ml minuman kemasan yang mengandung larutan penyangga dan tuangkan ke dalam gelas ukur atau tabung reaksi.
2. Tambahkan beberapa tetes indikator universal atau celupkan pH kertas lakmus merah dan biru ke dalam larutan, dan aduk hingga tercampur rata.
3. Catat warna indikator dan nilai pH larutan penyangga pada tabel di bawah ini.
4. Tambahkan sedikit asam (misalnya, jus lemon atau cuka) ke dalam larutan penyangga dan aduk. Catat warna indikator dan nilai pH larutan penyangga setelah penambahan asam pada tabel di bawah ini.
5. Tambahkan sedikit basa (misalnya, baking soda yang dilarutkan dalam air) ke dalam larutan penyangga dan aduk. Catat warna indikator dan nilai pH larutan penyangga setelah penambahan basa pada tabel di bawah ini.

Tabel Hasil Eksperimen

No. Warna Indikator pH Awal pH Setelah Penambahan Asam pH Setelah Penambahan Basa

1    

2    

3    

Analisis Hasil

1. Apa yang terjadi pada warna indikator dan nilai pH larutan penyangga setelah penambahan asam atau basa?
2. Apakah larutan penyangga yang diuji efektif dalam mempertahankan nilai pH yang stabil?

Kesimpulan

1. Apa yang dapat disimpulkan dari eksperimen ini tentang sifat larutan penyangga pada minuman kemasan?
2. Apa yang dapat dilakukan untuk meningkatkan efektivitas larutan penyangga pada minuman kemasan?

Catatan Keselamatan

1. Kenakan sarung tangan dan jangan mengkonsumsi bahan yang diuji.
2. Jangan membuang bahan kimia ke saluran pembuangan.
3. Cuci tangan dengan sabun setelah selesai melakukan eksperimen.
4. Lembar kerja siswa ini dapat diubah sesuai dengan kebutuhan dan level pendidikan siswa. Harap diperhatikan bahwa keamanan dan keselamatan harus selalu menjadi prioritas

Mudah Memahami Konsep Larutan Penyangga: LKPD Praktis dengan Langkah Kerja Jelas untuk Guru dan Siswa SMA

Judul: Pembuatan dan Karakterisasi Larutan Penyangga

I. Tujuan

Peserta didik dapat:

1. Membuat larutan penyangga dengan konsentrasi yang diinginkan
2. Menentukan pH larutan penyangga yang dibuat
3. Menerapkan konsep keseimbangan ion dalam larutan penyangga

II. Alat dan Bahan

1. Gelas beaker
2. Gelas ukur
3. Pengaduk
4. Buret
5. Pipet tetes
6. pH meter
7. Asam asetat (CH3COOH)
8. Natrium asetat (CH3COONa)
9. Air suling

III. Langkah Kerja

1. Timbang 1,9 g natrium asetat dan masukkan ke dalam beaker glass.
2. Tambahkan 100 mL air suling dan aduk hingga larut.
3. Ambil 25 mL larutan natrium asetat yang telah dibuat dan masukkan ke dalam beaker glass yang berbeda.
4. Tambahkan 5 mL asam asetat ke dalam beaker glass yang berisi 25 mL larutan natrium asetat dan aduk hingga tercampur rata.
5. Ukur pH larutan dengan pH meter. Catat hasil pengukuran pH pada tabel yang disediakan.
6. Ulangi langkah 4 dan 5 dengan menambahkan asam asetat 1 mL setiap kali hingga pH larutan mencapai 4,7. Catat volume asam asetat yang digunakan pada tabel yang disediakan.
7. Hitung konsentrasi larutan penyangga dengan rumus yang diberikan.

IV. Tabel Pengamatan

| No. | Volume Asam Asetat (mL) | pH Larutan |

V. Analisis Data

1. Buat grafik pH versus volume asam asetat yang digunakan.
2. Tentukan pH larutan ketika konsentrasi asam asetat dan natrium asetat sama besar (pKa).
3. Hitung konsentrasi larutan penyangga menggunakan rumus: pKa = -log[Ka]

Konsentrasi asam asetat = Konsentrasi natrium asetat = [HA] = [A-]

Konsentrasi larutan penyangga = [HA] + [A-]

VI. Kesimpulan

1. Jelaskan apa yang dimaksud dengan larutan penyangga.
2. Tuliskan rumus konsentrasi larutan penyangga.
3. Apa yang dapat ditentukan dengan menggunakan grafik pH versus volume asam asetat yang digunakan?
4. Apa yang dapat disimpulkan dari hasil praktikum yang telah dilakukan?

VII. Daftar Pustaka

Chang, R. (2010). Kimia Dasar: Konsep-Konsep Inti (Edisi keempat). Jakarta: Erlangga.

Harris, D. C. (2010). Analisis Kimia Kuantitatif (Edisi keempat). Jakarta: Erlangga.