LARUTAN PENYANGGA

Sifat-sifat dan Peran Larutan Penyangga

Proses metabolisme dapat berlangsung jika pH cairan dalam tubuh stabil. Darah yang terdapat dalam tubuh memiliki pH sekitar 7,4. Jika pH darah berubah, kemampuan mengangkut oksigen ke seluruh tubuh akan berkurang. Sebagai contoh enzim pepsin yang berfungsi memecah protein dalam lambung hanya dapat bekerja optimal pada suasana asam yaitu sekitar 2. Apabila berada pada pH yang berbeda jauh dengan pH optimal tersebut, enzim pepsin akan menjadi nonaktif atau bahkan rusak. Untuk itu perlu adanya suatu sistem yang menjaga nilai pH agar enzim tersebut dapat bekerja secara optimal. Oleh karena itu, darah dan enzim memiliki sifat dapat mempertahankan pHnya atau termasuk larutan penyangga.

Komponen Larutan Penyangga

Kalau dalam yang mengandung CH₃COOH dan CH₃COONa, atau NH₃ dengan NH₄Cl ditambahkan sedikit asam atau basa, akan didapat harga pH seperti yang tertera pada Tabel 1.

Tabel 1. pH larutan sebelum dan sesudah ditambah sedikit asam dan basa

No.	Jenis Zat	Volume	pH Awal	pH setelah ditambah 1 mL
				HCl 0,1 M	NaOH 0,1 M
1.	Air	10 mL	7	3,0	11,0
2.	CH3COOH dan CH3COONa	10 mL	4,74	4,73	4,75
3.	NH3(aq) dan NH4Cl	10 mL	9,27	9,30	9,32

(Sumber: Poppy et al., 2009: 205)

Pada data percobaan tersebut campuran yang terdiri dari larutan CH₃COOH dan CH₃COONa, juga larutan NH₃(aq) dan NH₄Cl pHnya hampir tidak berubah setelah ditambah sedikit asam maupun sedikit basa. Kedua jenis campuran tersebut merupakan contoh larutan penyangga.

Pada Tabel 1 terdapat dua macam larutan penyangga yaitu campuran antara CH₃COOH dengan CH₃COONa  dan NH₃(aq) dengan NH₄Cl. Pada campuran CH₃COOH dengan CH₃COONa yang membentuk larutan penyangga adalah CH₃COOH yang bersifat asam lemah dengan CH₃COO^– yang berasal dari CH₃COONa. CH₃COO^– adalah basa konjugasi dari CH₃COOH, maka komponen larutan penyangga ini adalah CH₃COOH dengan CH₃COO^–.

Pada campuran NH₃(aq) dengan NH₄Cl yang membentuk larutan penyangganya adalah NH₃ yang bersifat basa lemah dengan NH₄⁺ dari NH₄Cl. NH₄⁺ adalah asam konjugasi dari NH₃(aq), maka komponen larutan penyangga ini adalah NH₃(aq) dengan NH₄⁺. Berdasarkan ini, dapat disimpulkan:

Larutan penyangga adalah larutan yang mengandung asam lemah dengan basa konjugasinya atau basa lemah dengan asam konjugasinya. Larutan penyangga yang mengandung asam lemah bersifat asam. Larutan penyangga yang mengandung basa lemah bersifat basa.

Larutan penyangga adalah larutan yang pH-nya tidak mudah berubah dengan penambahan sedikit asam, basa, atau air. Larutan penyangga disebut juga larutan buffer atau dapar. Larutan penyangga dapat dibuat dengan cara mencampurkan asam lemah dengan garamnya atau basa lemah dengan garamnya.

Sifat larutan penyangga dapat mempertahankan pHnya jika ditambah sedikit  asam atau basa, dapat dilihat pada tabel data dan grafik titrasi CH₃COOH dengan NaOH berikut.

Gambar 1. Grafik perubahan pH asam lemah dengan basa kuat pada titrasi 25 mL CH₃COOH 0,1 M ditambahkan NaOH 0,1 M.

Pada grafik dapat dilihat di antara A dan B, pH hampir tidak berubah walaupun penambahan basa tetap dilakukan. Apa penyebabnya?

Coba reaksikan CH₃COOH dengan NaOH dengan volum di antara 10 sampai dengan 20 mL.

CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l)

Selama penambahan NaOH pada campuran akan terbentuk CH₃COONa dan sisa asam CH₃COOH. Campuran CH₃COOH dengan CH3COONa menghasilkan larutan penyangga. Setelah CH₃COOH habis bereaksi dengan NaOH tidak terjadilagi larutan penyangga sehingga pH pada titrasi melonjak naik.  Demikian pula pada tabel dan grafik titrasi NH₃(aq) dengan HCl pada Gambar 2. Di antara titik E dan F perubahan pH relatif kecil, hal ini disebabkan terjadi larutan penyangga yang mengandung komponen NH₃(aq) dan NH₄Cl.

Gambar 2. Grafik perubahan pH basa lemah dengan asam kuat pada titrasi 25 mL NH₃ 0,1 M oleh larutan HCl 0,1 M

Larutan penyangga dapat dibuat dengan dua cara. Pertama dengan cara mencampurkan langsung komponen-komponennya yaitu suatu asam lemah dengan garamnya atau suatu basa lemah dengan garamnya. Kedua dengan cara mencampurkan asam lemah dan basa kuat dengan jumlah asam lemah yang berlebih atau mencampurkan basa lemah dan asam kuat dengan jumlah basa lemah berlebih.

MACAM-MACAM LARUTAN PENYANGGA

1.      Larutan Penyangga Asam

Larutan penyangga asam dapat dibuat dari campuran asam lemah dengan basa konjugasinya atau garamnya. Dalam larutan penyangga asam, terjadi keseimbangan antara asam lemah (HX) dengan basa konjugasinya (X^–) menurut persamaan reaksi.

HX(aq) ⇄ H⁺ (aq) + F^–(aq)

pH larutan penyangga

Keterangan:

K_a = tetapan kesetimbangan asam

n_asam = jumlah zat asam (mol)

Contoh larutan penyangganya adalah CH₃COOH dengan CH₃COONa, CH₃COOH dengan (CH₃COO)₂Ba, HCOOH dengan HCOOK.

1.      Larutan Penyangga Basa

Larutan penyangga basa dapat dibuat dari campuran basa lemah dengan asam konjugasinya atau garamnya. Pada larutan penyangga basa juga terjadi reaksi seperti pada larutan penyangga asam yaitu reaksi kesetimbangan antara basa lemah dan asam konjugasinya. Berikut persamaan reaksi kesetimbangan tersebut.

MOH(aq)    ⇄   M⁺ (aq)    +    OH^–(aq)

Konsentrasi        konsentrasi

Tinggi                 tinggi (garam)

(basa lemah)

Berdasarkan reaksi kesetimbangan tersebut konsentrasi ion OH^– dalam larutan penyangga basa dapat ditentukan dengan rumus berikut.

Keterangan:

K_b = tetapan kesetimbangan basa

n_b = jumlah zat basa

 

Contoh larutan penyangganya adalah NH₃ dan (NH₄)₂SO₄.

PRINSIP KERJA LARUTAN PENYANGGA

Larutan penyangga berperan untuk mempertahankan pH pada kisarannya. Jika ke dalam air murni dan larutan penyangga CH₃COOH/CH₃COO^– ditambahkan sedikit basa kuat NaOH 0,01 M pada masing-masing larutan, maka apa yang akan terjadi? pH air murni akan naik drastis dari 7,0 menjadi 12,0; sedangkan pada larutan penyangga hanya naik sedikit dari 4,74 menjadi 4,82. Mengapa bisa demikian? Larutan penyangga CH₃COOH/CH₃COO^– mengandung asam lemah CH₃COOH dan basa konjugasi CH₃COO^–. Jika ditambah NaOH, maka ion OH^– hasil ionisasi NaOH akan dinetralisir oleh asam lemah CH₃COOH. Akibatnya, pH dapat dipertahankan.

Gambar 3. Perbandingan larutan nonpenyangga dan larutan penyangga jika ditambah sedikit basa kuat NaOH. (Sumber : Crys Fajar Partana dan  Antuni Wiyarsi, 2009: 186)

Pada prinsipnya sama saja. Ion H⁺ hasil ionisasi HCl akan dinetralisir oleh basa konjugasi CH₃COO^–, sehingga pH dapat dipertahankan. Larutan penyangga akan mempertahankan pH pada kisarannya jika ditambahkan sedikit asam, sedikit basa, dan pengenceran.

PENGARUH PENAMBAHAN ASAM TAU BASA SERTA PENGENCERAN TERHADAP PH LARUTAN PENYANGGA

Kapasitas atau daya penahan larutan penyangga bergantung pada jumlah zat (n) dan perbandingan jumlah zat (n) dari komponen penyangganya. Semakin banyak jumlah mol komponen penyangga, semakin besar kemampuannya mempertahankan pH. Jika komponen asam terlalu sedikit, penambahan sedikit basa dapat mengubah pH-nya. Sebaliknya, jika komponen basanya terlalu sedikit, penambahan sedikit asam akan mengubah pH-nya. Perbandingan mol antara komponen-komponen suatu larutan penyangganya sebaiknya antara 0,1 hingga 10 karena di luar perbandingan tersebut sifat penyangganya akan berkurang.

1.      Penambahan Asam atau Basa

Sifat larutan penyangga yaitu dapat mempertahankan pH dari pengaruh penambahan sedikit asam maupun sedikit basa. Pengaruh penambahan tersebut dapat dilihat pada kasus berikut ini.

Larutan penyangga  dengan pH sebesar 4,7 dapat dibuat dengan mencampurkan 100 mL larutan CH₃COOH 0,2 M (K_a CH₃COOH = 10^–5) dan 100 mL larutan CH₃COONa 0,1 M. Apabila ke dalam larutan penyangga tersebut ditambahkan 10 mL larutan HCl 0,1 M atau 10 mL larutan NaOH 0,1 M maka perhitungan akibat penambahan sedikit asam kuat atau basa kuat dapat dilihat sebagai berikut.

Sebelum penambahan HCl atau NaOH

CCH₃COOH = 0,2 M

VCH₃COOH = 100 mL = 0,1 L

Catatan:

C = konsentrasi (M atau mol/L)

V = Volume (L)

nCH₃COOH = CCH₃COOH x VCH₃COOH

nCH₃COOH = 0,2 M x 0,1 L

nCH₃COOH = 0,2 mol/L x 0,1 L = 0,02 mol

CCH₃COONa = 0,1 M

VCH₃COOH = 100 mL = 0,1 L

Catatan:

C = konsentrasi (M atau mol/L)

V = Volume (L)

n = jumlah zat

nCH₃COONa = CCH₃COONa x VCH₃COONa

nCH₃COONa = 0,1 M x 0,1 L

nCH₃COONa = 0,1 mol/L x 0,1 L = 0,01 mol

CH₃COONa(aq) → CH₃COO^–(aq) + Na⁺(aq)

nCH₃COONa = nCH₃COO^– = 0,01 mol

pH sebelum penambahan asam kuat dan basa kuat

Pada penambahan HCl pada campuran penyangga

nHCl = nH⁺ = 0,001

HCl(aq) → H⁺(aq)+ Cl^–(aq)

VHCl = 10 mL = 0,01 L

CHCl = 0,1 M

nHCl = CHCl x VHCl

nHCl = 0,1 M x 0,01 L

nHCl = 0,1 mol/L x 0,01 L = 0,001 mol

mol

sehingga terjadi reaksi berikut

Pada campuran kedua larutan tersebut akan terjadi reaksi kesetimbangan:

CH₃COOH(aq) ⇄ CH₃COO^–(aq) + H⁺(aq)

Setelah ditambah HCl, jumlah zat (n) ion H⁺ diasumsikan sama dengan jumlah zat (n) HCl yang ditambahkan yaitiu 0,001 mol (H⁺ dari ionisasi asam asetat diabaikan). Semua ion H⁺ (dari HCl) yang ditambahkan akan bereaksi dengan ion asetat (basa konjugasi). Oleh karena itu, penambahan asam (H⁺) akan mengurangi jumlah basa konjugas (CH₃COO^–) dan sebaliknya menambah jumlah asam lemah (CH₃COOH). Persamaan reaksinya sebagai berikut.

selisih pH setelah penambahan asam = 0,06

Penambahan sedikit basa kuat

Pada penambahan 10 mL NaOH 0,1 M pada campuran penyangga

NaOH(aq) → Na⁺(aq)+ OH^–(aq)

VNaOH = 10 mL = 0,01 L

CNaOH = 0,1 M

n_NaOH= C_NaOH x V_NaOH

n_NaOH = 0,1 M x 0,01 L

n_NaOH = 0,1 mol/L x 0,01 L = 0,001 mol

n_NaOH = n_OH- = 0,001 mol

Penambahan sedikit basa kuat (OH^–) akan bereaksi dengan asam lemah CH₃COOH menurut persamaan reaksi berikut.

Selisih pH setelah penambahan basa = 0,07 (naik 0,07)

Berdasarkan kasus di atas, dapat dilihat dari hasil perhitungan bahwa penambahan sedikit asam atau basa hanya menggeser sedikit harga pH (seperti pada penambahan asam kuat pH turun 0,06 dan penambahan sedikit basa kuat pH naik 0,07) sehingga dapat diabaikan atau pH dianggap tetap.

Pengenceran

Berdasarkan persamaan Handerson-Hasselbalch:

dapat ditentukan bahwa pengenceran tidak memengaruhi harga pH larutan penyangga.

Harga pH larutan penyangga hanya ditentukan oleh pK_a dan perbandingan konsentrasi molar pasangan asam basa konjugas. Sementara itu, nilai K_a dan pK_a dari asam lemah tidak bergantung pada konsentrasi asam, tetapi bergantung pada suhu. Oleh karenanya, pengenceran larutan penyangga tidak mengubah harga pK_a. Konsentrasi molar pasangan asam basa konjugasi akan berubah jika volume larutan tidak berubah. Hal ini karena konsentrasi spesi yang ada dalam larutan. Namun, perubahan konsentrasi terjadi pada semua spesi. Oleh karenanya, perbandingan konsentrasi molar pasangan asam basa konjugasi atau perbandingan spesi tidak berubah sehingga pH larutan tidak berubah.

Contoh pengaruh pengenceran pada pH larutan penyangga:

Suatu larutan penyangga dibuat dengan mencampurkan 50 mL larutan HCOOH 0,5 M (K_a = 10^–4) dengan 25 mL larutan  HCOOK 1 M. Selanjutnya, larutan tersebut diencerkan dengan akuades hingga volumenya 200 mL.

a.    Berapa pH larutan sebelum diencerkan?

b.    Berapa pH larutan setelah diencerkan?

Jawaban:

CHCOOH = 0,5 M

VHCOOH = 50 mL = 0,05 L

nHCOOH= CHCOOH x VHCOOH

nHCOOH = 0,5 M x 0,05 L

nHCOOH= 0,5 mol/L x 0,05 L = 0,025 mol

CHCOOK = 1 M

VHCOOK = 25 mL = 0,025 L

nHCOOK= CHCOOK x VHCOOK

nHCOOK = 1 M x 0,025 L

nHCOOK= 1 mol/L x 0,025 L = 0,025 mol

a.    pH larutan sebelum diencerkan

b.    pH larutan setelah diencerkan

Setelah diencerkan jumlah zat (n) HCOOH dan HCOOK  tidak berubah, meskipun konsentrasi larutan berubah sehingga pH  tetap = 4

Vlarutan = 200 mL = 0,2 L

Jika pH dihitungkan berdasarkan konsentrasinya, maka:

Contoh Soal

1.   Sebanyak 1 L larutan berisi campuran antara larutan HCOOH 0,02 M dan larutan HCOOK 0,01 M. Tentukan pH larutan tersebut! (Ka HCOOH =  2 x 10^–4)

Penyelesaian:

HCOOK(aq) → HCOO^–(aq) + K⁺(aq)

[HCOO^–] = [HCOOK] = 0,01 M

Jadi, pH larutan adalah 4 – log 4

2.   Suatu campuran terdiri atas 100 mL larutan NH₃ 0,2 M dan 50 mL larutan H₂SO₄ 0,1 M. Jika diketahui K_b NH₃ = 2 x 10^–5, tentukan pH campuran tersebut!

Penyelesaian:

CNH₃ = 0,2 M

V NH₃ = 100 mL = 0,1 L

n NH₃ = CNH₃ x VNH₃

n NH₃ = 0,2 M x 0,1 L

n NH₃= 0,2 mol/L x 0,1 L = 0,02 mol

CH₂SO₄ = 0,1 M

VH₂SO₄ = 50 mL = 0,05 L

nH₂SO₄= CH₂SO₄ x VH₂SO₄

nH₂SO₄ = 0,1 M x 0,05 L

nH₂SO₄= 0,1 mol/L x 0,05 L = 0,005 mol

pOH = –log [H⁺]

pOH = –log 2 x 10^–5

pOH = 5 – log 2

pH = 14 – pOH

pH = 14 – (5 – log 2)

pH = 9 + log 2

Jadi, pH campuran tersebut adalah 9 + log 2

 PERAN LARUTAN PENYANGGA

1.      Peran Larutan Penyangga dalam Tubuh Makhluk Hidup

pH darah tubuh manusia berkisar antara 7,35-7,45. pH darah tidak boleh kurang dari 7,0 dan tidak boleh melebihi  7,8, karena akan berakibat fatal bagi manusia. Organ yang paling berperan untuk menjaga pH darah adalah paru-paru dan ginjal. Kondisi di mana pH darah kurang dari 7,35 disebut asidosis. Faktor-faktor yang mempengaruhi terjadinya kondisi asidosis antara lain penyakit jantung, penyakit ginjal, kencing manis, dan diare yang terus-menerus. Sedangkan kondisi di mana pH darah lebih dari 7,45 disebut alkolosis.

Kondisi ini disebabkan muntah yang hebat, hiperventilasi (kondisi ketika bernafas terlalu cepat karena cemas atau histeris pada ketinggian). Untuk menjaga pH darah agar stabil, di dalam darah terdapat beberapa larutan penyangga alami.

a.    Penyangga hemoglobin

Oksigen merupakan zat utama yang diperlukan oleh sel tubuh yang didapatkan melalui pernapasan. Oksigen diikat oleh hemoglobin di dalam darah, di mana O₂ sangat sensitif terhadap pH. Reaksi kesetimbangan yang terjadi dapat dituliskan sebagai berikut.

HHb⁺      +   O₂   ⇄   H⁺ + HbO₂

Asam

hemoglobin

Produk buangan dari tubuh adalah CO₂ yang di dalam tubuh bisa membentuk senyawa H₂CO₃ yang nantinya akan terurai menjadi H⁺ dan HCO₃^–. Penambahan H⁺ dalam tubuh akan mempengaruhi pH, tetapi hemoglobin yang telah melepaskan O₂ dapat mengikat H⁺ membentuk asam hemoglobin.

b.  Penyangga karbonat

Penyangga karbonat juga berperan dalam mengontrol pH darah. Reaksi kesetimbangan yang terjadi sebagai berikut.

H⁺(aq) + HCO^–(aq) ⇄ H₂CO₃(aq) ⇄ H₂O(aq) + CO₂(aq)

Perbandingan molaritas HCO₃^– terhadap H₂CO₃ yang diperlukan untuk mempertahankan pH darah 7,4 adalah 20:1. Jumlah HCO₃^– yang relatif jauh lebih banyak itu dapat dimengerti karena hasil-hasil metabolisme yang diterima darah lebih banyak bersifat asam.

c.   Penyangga fosfat

Penyangga fosfat merupakan penyangga yang berada di dalam sel. Penyangga ini adalah campuran dari asam lemah H₂PO₄^– dan basa konjugasinya, yaitu HPO₄^2–. Jika dari proses metabolisme sel dihasilkan banyak zat yang bersifat asam, maka akan segera bereaksi dengan ion HPO₄^2–.

HPO₄^2– (aq) + H⁺(aq) ⇄ H₂PO₄^– (aq)

Dan jika pada proses metabolisme sel menghasilkan senyawa yang bersifat basa, maka ion OH– akan bereaksi dengan ion H₂PO₄^–,

H₂PO₄^– (aq) + OH–(aq) ⇄ HPO₄^2– (aq) + H₂O(l)

Sehingga perbandingan [H₂PO₄^–]/[ HPO₄^2–] selalu tetap dan akibatnya pH larutan tetap. Penyangga ini juga ada di luar sel, tetapi jumlahnya sedikit. Selain itu, penyangga fosfat juga berperan sebagai penyangga urin.

2.      Peran Larutan Penyangga dalam Kehidupan Sehari-hari

Larutan penyangga digunakan dalam berbagai bidang, seperti kimia analisis, biokimia, bakteriologi, obat-obatan (farmasi), fotografi, industri kulit, zat warna, industri makanan, pertanian, dan pengolahan limbah industri. Rentang pH tertentu yang sempit diperlukan untuk mencapai hasil optimum dalam berbagai bidang tersebut. Misal suatu enzim dapat bekerja pada pH tertentu dan sangat sensitif terhadap perubahan pH.

a.   Peran larutan penyangga dalam industri makanan

Bidang industri makanan, misalnya pengalengan buah-buahan juga membutuhkan larutan penyangga, yang berfungsi mengatur kadar keasaman (pH), misalnya asam sitrat dan natrium sitrat. Kedua zat tersebut merupakan larutan penyangga yang biasa ditambahkan pada buah-buahan yang dikalengkan. Selain itu, asam sitrat yang biasa digunakan untuk mengatur tingkat keasaman pada produk susu, selai dan jeli.

b.   Peran larutan penyangga dalam bidang farmasi

Dalam bidang farmasi, senyawa MgO digunakan dalam pembuatan aspirin. Komponen utama aspirin berupa asam asetilsalisilat yang mampu menghilangkan rasa nyeri dan mengubah pH dalam perut. Perubahan pH ini mengakibatkan pembentukan hormon yang merangsang proses penggumpalan darah menjadi terhambat sehingga pendarahan tidak dapat dihindarkan. Oleh karena itu, pada onat aspirin ditambahkan MgO yang dapat mentransfer kelebihan asam.

DAFTAR PUSTAKA

Crys Fajar Partana dan Antuni Wiyarsi. 2009. Mari Belajar Kimia 2 : Untuk SMA XI IPA. Jakarta: Pusat Perbukuan, Departemen Pendidikan Nasional.

Emi Sulami dan Anis Dyah Rufaida. 2009. Buku Panduan Pendidik Kimia Untuk SMA/MA Kelas XI. Klaten: PT Penerbit Intan Pariwara.

Poppy K. Devi, et al. 2009. Kimia 2 : Kelas XI SMA dan MA. Jakarta: Pusat Perbukuan, Departemen Pendidikan Nasional.

Qurniawati, Annik et al. 2018. Kimia Peminatan Matematika dan Ilmu Alam SMA/MA Kelas XI Semester 2. Klaten: PT Penerbit Intan Pariwara.