Larutan Penyangga: Bagaimana Asam Lemah dan Basa Konjugatnya Menjaga pH Tetap Stabil

Dua pasangan yang masing-masing menetralkan satu ancaman

Ambil campuran asam asetat, CH₃COOH, dan natrium asetat, yang menyediakan CH₃COO⁻. Jika asam kuat ditambahkan, ion asetat mengikat proton berlebih: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. Jika basa kuat ditambahkan, asam asetat menetralkannya: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

Kedua reaksi pada dasarnya berlangsung sempurna, sehingga asam kuat atau basa kuat yang ditambahkan diubah menjadi pasangan lemahnya. pH tetap bergeser, karena perbandingan asam terhadap basa berubah, tetapi hanya sedikit. Larutan asam lemah saja tidak dapat melakukan hal ini, karena hampir tidak memiliki basa konjugat untuk menyerap asam yang ditambahkan.

Pasangan penyangga yang umum meliputi asam asetat dengan asetat, amonium dengan amonia, dihidrogen fosfat dengan hidrogen fosfat, serta asam karbonat dengan hidrogen karbonat. Pasangan terakhir membantu menjaga darah manusia di sekitar pH 7.4, seperti yang dijelaskan subbab 14.6 OpenStax.

Menurunkan Henderson–Hasselbalch dari ungkapan Ka

Mulailah dari Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] dan selesaikan untuk hidronium: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. Ambil −log kedua ruas untuk mendapatkan pH = pKa + log([A⁻]/[HA]). Inilah persamaan Henderson–Hasselbalch.

Dalam larutan penyangga, HA dan A⁻ sama-sama hadir dalam jumlah yang cukup besar, dan masing-masing menekan reaksi pasangannya dengan air. Karena itu, konsentrasi kesetimbangannya hampir sama dengan jumlah yang Anda campurkan. Itulah sebabnya Anda dapat langsung memasukkan konsentrasi yang disiapkan ke dalam persamaan tanpa tabel ICE.

Karena kedua pasangan berada dalam volume yang sama, perbandingan konsentrasinya sama dengan perbandingan molnya. Anda dapat langsung memakai mol, yang menghemat satu langkah setelah asam atau basa ditambahkan.

• Jika [A⁻] = [HA], suku log bernilai nol dan pH = pKa.
• Setiap kenaikan sepuluh kali perbandingan basa terhadap asam menaikkan pH satu satuan.
• Basa konjugat yang lebih banyak daripada asam memberikan pH di atas pKa; asam yang lebih banyak memberikan pH di bawahnya.

Contoh soal: pH larutan penyangga asetat

Suatu larutan penyangga mengandung CH₃COOH 0.300 M dan CH₃COONa 0.250 M. Lampiran H memberikan Ka = 1.8 × 10⁻⁵, sehingga pKa = 4.745. Maka pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

Bawa pKa yang belum dibulatkan sampai akhir. Membulatkannya lebih dahulu menjadi 4.74 memberikan 4.66. Selisih itu berada dalam ketidakpastian Ka dengan dua angka penting, tetapi membulatkan sekali di akhir menjaga jawaban Anda tetap konsisten dengan kunci jawaban. pH-nya sedikit di bawah pKa, seperti yang diharapkan, karena asamnya sedikit lebih banyak daripada basanya.

Contoh soal: menambahkan asam kuat, lalu basa kuat

Tambahkan 0.0200 mol HCl ke dalam 1.00 L larutan penyangga di atas. Lakukan penetralan terlebih dahulu, sebagai langkah stoikiometri: H₃O⁺ mengubah 0.0200 mol asetat menjadi asam asetat. Asam asetat naik dari 0.300 menjadi 0.320 mol dan asetat turun dari 0.250 menjadi 0.230 mol. Maka pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. pH turun dari 4.67 menjadi 4.60, kurang dari sepersepuluh satuan.

Menambahkan 0.0200 mol HCl yang sama ke dalam 1.00 L air murni akan memberikan [H₃O⁺] = 0.0200 M dan pH 1.70, penurunan lebih dari lima satuan dari netral.

Sekarang tambahkan 0.0500 mol NaOH ke dalam 1.00 L larutan penyangga semula yang baru. Hidroksida mengubah 0.0500 mol asam asetat menjadi asetat, sehingga tersisa 0.250 mol asam dan 0.300 mol basa. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82, kenaikan dari 4.67 yang kurang dari 0.2. Dalam air murni, NaOH yang sama akan memberikan pH 12.70.

Logika yang sama memungkinkan Anda membuat larutan penyangga dengan penetralan sebagian. Mencampur 0.0400 mol asam asetat dengan 0.0150 mol NaOH menyisakan 0.0250 mol asam dan 0.0150 mol asetat, sehingga pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52, berapa pun volume akhirnya.

Merancang larutan penyangga untuk pH sasaran

Pertama, pilih pasangan konjugat yang pKa-nya berada dalam rentang satu satuan dari pH yang Anda inginkan. Kemudian gunakan Henderson–Hasselbalch secara terbalik untuk mencari perbandingannya, dan stoikiometri untuk mengubah perbandingan itu menjadi jumlah zat.

Contoh soal. Siapkan larutan penyangga pH 9.50 dari 500.0 mL amonia 0.200 M dengan menambahkan amonium klorida padat. Pasangan asamnya adalah NH₄⁺. Dari Lampiran I, Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵, sehingga pKb = 4.745 dan pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. Perbandingan yang diperlukan adalah [NH₃]/[NH₄⁺] = 10 pangkat (9.50 − 9.255) = 1.76.

Labu itu berisi 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃, sehingga memerlukan 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺. Dengan M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol, itu sekitar 3.0 g amonium klorida, dilaporkan sampai dua angka penting karena Kb memiliki dua. Dalam praktik, Anda kemudian akan memeriksa pH dengan pH meter yang sudah dikalibrasi dan menyesuaikannya.

Kapasitas penyangga dan rentang pH yang berguna

Rentang penyangga adalah rentang pH tempat larutan penyangga bekerja dengan baik. Perbandingan 10:1 atau 1:10 sesuai dengan pH = pKa ± 1, dan di luar rentang itu salah satu pasangan terlalu sedikit untuk menyerap lebih banyak asam atau basa. Penyangga asetat berguna dari sekitar pH 3.7 sampai 5.7, dan penyangga amonia dari sekitar 8.3 sampai 10.3.

Kapasitas penyangga adalah jumlah asam atau basa yang dapat diserap larutan penyangga sebelum pH-nya berubah banyak. Kapasitas ini bergantung pada berapa banyak masing-masing pasangan yang ada, bukan hanya perbandingannya. Bandingkan dua larutan penyangga asetat, masing-masing 1.00 L dengan asam dan basa dalam jumlah sama. Keduanya bermula pada pH = pKa = 4.74. Dengan 0.100 M untuk masing-masing, penambahan 0.00500 mol HCl menurunkan pH sebesar 0.04, menjadi 4.70. Dengan 0.0100 M untuk masing-masing, penambahan yang sama menurunkannya hampir setengah satuan, menjadi 4.27. Perbandingannya sama, tetapi larutan penyangga yang encer hanya memiliki sepersepuluh kapasitasnya.

Larutan penyangga habis kemampuannya ketika asam atau basa yang ditambahkan menghabiskan seluruh salah satu pasangannya. Setelah itu, pH ditentukan oleh kelebihan asam kuat atau basa kuat, dan berubah dengan tajam.

Kesalahan yang membuat jawaban larutan penyangga keliru

Soal larutan penyangga menggabungkan dua jenis penalaran: stoikiometri untuk penetralan dan kesetimbangan untuk pH. Jaga agar keduanya tetap dalam urutan itu.

• Menulis perbandingan secara terbalik. Perbandingannya adalah basa per asam: log([A⁻]/[HA]).
• Memasukkan HCl atau NaOH yang ditambahkan ke dalam persamaan Henderson–Hasselbalch sebelum melakukan langkah penetralan.
• Memakai pKb sebagai pengganti pKa untuk larutan penyangga amonia. Konversikan dengan pKa + pKb = 14.00 pada 25 °C.
• Mencampur mol untuk satu pasangan dengan konsentrasi untuk pasangan lainnya ketika keduanya berada dalam volume yang berbeda.
• Menganggap larutan penyangga masih bekerja setelah asam atau basa yang ditambahkan melebihi jumlah salah satu pasangan.
• Memperlakukan asam lemah saja, atau asam lemah dengan asam kuat, sebagai larutan penyangga.