Larutan Penyangga (Buffer)

Dalam tulisan ini, kita akan membahas tentang pengertian larutan penyangga (buffer), fungsi larutan penyangga (buffer), mekanisme larutan penyangga (buffer) dalam mempertahankan pH larutan, cara pembuatan larutan penyangga (buffer), serta perhitungan pH larutan penyangga (buffer).
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
Referensi:
Andy. 2009. Pre-College Chemistry.
Chang, Raymond. 2007. Chemistry Ninth Edition. New York: Mc Graw Hill.
Moore, John T. 2003. Kimia For Dummies. Indonesia: Pakar Raya.