Soal Kontekstual Kesetimbangan Asam-Basa, 20 Soal dan Pembahasannya

Berikut ini soal dan pembahasan untuk materi kesetimbangan asam-basa yang bersifat kontekstual. Soal ini dapat melatih berpikir tingkat tinggi untuk menerapkan konsep asam basa.

Soal 1: Penyesuaian pH pada Kolam Ikan

Seorang peternak ikan lele ingin menjaga kualitas air kolamnya agar sesuai untuk pertumbuhan ikan. Diketahui bahwa pH air kolam ideal untuk ikan lele adalah antara 6,5 hingga 7,5. Saat diukur, pH air kolam ternyata 5,8 karena adanya pencucian limbah organik dari daun yang jatuh ke kolam, menghasilkan asam organik lemah (misalnya asam asetat, CH₃COOH, dengan Ka = 1,8 x 10^-5). Peternak memutuskan untuk menambahkan larutan natrium hidroksida (NaOH) untuk menetralkan keasaman.

1. Jelaskan bagaimana penambahan NaOH dapat memengaruhi kesetimbangan asam-basa dalam air kolam dan hitung berapa konsentrasi NaOH (dalam mol/L) yang perlu ditambahkan ke dalam 1000 liter air kolam jika konsentrasi awal asam asetat di kolam adalah 0,01 M agar pH mencapai 7,0.
2. Analisis apakah penambahan NaOH secara berlebihan dapat membahayakan ikan lele, dan jelaskan hubungannya dengan konsep buffer dalam sistem asam-basa.

a. Penambahan NaOH akan bereaksi dengan asam asetat (CH₃COOH) membentuk garam natrium asetat (CH₃COONa) dan air, sehingga mengurangi konsentrasi asam dan meningkatkan pH. Reaksi: CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O. Karena asam asetat adalah asam lemah, kita gunakan persamaan Henderson-Hasselbalch: pH = pKa + log([CH₃COO^-]/[CH₃COOH]). Diketahui pKa = -log(1,8 x 10^-5) ≈ 4,74, pH target = 7,0, dan [CH₃COOH] awal = 0,01 M.

Substitusi: 7,0 = 4,74 + log([CH₃COO^-]/[CH₃COOH]). Maka log([CH₃COO^-]/[CH₃COOH]) = 2,26, sehingga [CH₃COO^-]/[CH₃COOH] = 10^2,26 ≈ 181. Jika [CH₃COOH] sisa = x, maka [CH₃COO^-] = 181x. Total mol awal CH₃COOH = 0,01 M x 1000 L = 10 mol. Jadi, 10 = x + 181x, 10 = 182x, x ≈ 0,0549 M (sisa CH₃COOH). Maka [CH₃COO^-] = 181 x 0,0549 ≈ 0,00995 M. NaOH yang dibutuhkan = [CH₃COO^-] = 0,00995 M.

b. Penambahan NaOH berlebih akan meningkatkan pH di atas 7,5, yang berbahaya bagi ikan lele karena mengganggu fisiologi mereka. Sistem ini tidak memiliki buffer kuat (hanya asam lemah dan garamnya), sehingga pH akan melonjak tajam tanpa mekanisme penyangga yang memadai.

Soal 2: Kesetimbangan pH dalam Tubuh Manusia

Dalam tubuh manusia, kesetimbangan asam-basa darah dijaga oleh sistem buffer karbonat (H₂CO₃/HCO₃^-) dengan pKa = 6,1. Normalnya, pH darah manusia berada pada kisaran 7,35-7,45. Pada suatu kasus, seorang pasien mengalami asidosis metabolik akibat penumpukan asam laktat (dari latihan fisik berat) yang menyebabkan pH darahnya turun menjadi 7,2. Dokter mempertimbangkan pemberian larutan natrium bikarbonat (NaHCO₃) intravena untuk mengembalikan pH darah ke normal.

1. Jelaskan bagaimana sistem buffer H₂CO₃/HCO₃^- bekerja untuk melawan perubahan pH akibat asam laktat, dan hitung rasio [HCO₃^-]/[H₂CO₃] pada pH 7,2 serta pada pH normal 7,4 (gunakan persamaan Henderson-Hasselbalch).
2. Evaluasi dampak pemberian NaHCO₃ terhadap kesetimbangan asam-basa darah, dan prediksikan apa yang terjadi jika dosisnya terlalu tinggi sehingga pH darah melebihi 7,45.

a. Sistem buffer H₂CO₃/HCO₃^- bekerja dengan HCO₃^- menetralkan asam laktat (H⁺ + HCO₃^- → H₂CO₃), lalu H₂CO₃ dipecah menjadi CO₂ dan H₂O, dikeluarkan via paru-paru. Menggunakan Henderson-Hasselbalch: pH = pKa + log([HCO₃^-]/[H₂CO₃]), pKa = 6,1. Pada pH 7,2: 7,2 = 6,1 + log([HCO₃^-]/[H₂CO₃]), log([HCO₃^-]/[H₂CO₃]) = 1,1, rasio = 10^1,1 ≈ 12,6. Pada pH 7,4: 7,4 = 6,1 + log([HCO₃^-]/[H₂CO₃]), log([HCO₃^-]/[H₂CO₃]) = 1,3, rasio = 10^1,3 ≈ 20.

b. Pemberian NaHCO₃ meningkatkan [HCO₃^-], sehingga rasio [HCO₃^-]/[H₂CO₃] naik dan pH meningkat. Jika berlebihan, pH > 7,45 menyebabkan alkalosis, mengganggu fungsi enzim dan pernapasan, karena buffer tidak lagi efektif menahan lonjakan basa.

Soal 3: Pengolahan Air Limbah Industri

Sebuah industri tekstil menghasilkan limbah cair dengan pH 3,5 akibat penggunaan asam sulfat (H₂SO₄). Untuk mengolah limbah sebelum dibuang, pH harus dinaikkan ke 6,5 menggunakan larutan kalsium hidroksida (Ca(OH)₂). Volume limbah 500 L dan konsentrasi H₂SO₄ awal adalah 0,02 M.

1. Apa yang terjadi pada ion hidrogen dalam limbah saat Ca(OH)₂ ditambahkan, dan bagaimana hal ini memengaruhi pH?
2. Tentukan massa Ca(OH)₂ (Mr = 74) dalam gram yang perlu ditambahkan untuk mencapai pH target.

a. Ca(OH)₂ melepaskan OH^- yang bereaksi dengan H⁺ dari H₂SO₄, membentuk H₂O: H₂SO₄ + Ca(OH)₂ → CaSO₄ + 2H₂O. Penurunan [H⁺] meningkatkan pH dari 3,5 ke 6,5.

b. Mol H₂SO₄ = 0,02 M x 500 L = 10 mol. Stoikiometri 1:1, mol Ca(OH)₂ = 10 mol. Massa = 10 x 74 = 740 g.

Soal 4: Pengaturan pH pada Minuman Soda

Minuman soda mengandung asam karbonat (H₂CO₃, Ka₁ = 4,3 x 10^-7) dengan konsentrasi 0,03 M. Produsen ingin pH minuman berada pada 4,0 untuk rasa optimal dengan menambahkan NaHCO₃.

1. Mengapa NaHCO₃ dapat menstabilkan pH soda pada nilai tertentu?
2. Berapa mol NaHCO₃ yang diperlukan jika volume soda 2 L?

a. NaHCO₃ menyediakan HCO₃^-, membentuk buffer dengan H₂CO₃ yang menahan perubahan pH: H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃^-.

b. pH = pKa + log([HCO₃^-]/[H₂CO₃]), pKa = 6,37, 4,0 = 6,37 + log([HCO₃^-]/0,03), [HCO₃^-] ≈ 0,000128 M. Mol = 0,000128 x 2 = 0,000256 mol.

Soal 5: Penyiraman Tanaman dengan Air Hujan

Air hujan mengandung H₂CO₃ akibat CO₂ dari udara (Ka₁ = 4,3 x 10^-7), dengan pH 5,6. Petani ingin menetralkan 100 L air hujan ini ke pH 7,0 menggunakan NH₃ (Kb = 1,8 x 10^-5).

1. Bagaimana NH₃ mengubah komposisi ion dalam air hujan?
2. Berapa volume larutan NH₃ 0,01 M yang dibutuhkan (dalam liter)?

a. NH₃ bereaksi dengan H⁺ menjadi NH₄⁺: NH₃ + H⁺ ⇌ NH₄⁺, mengurangi [H⁺] dan meningkatkan pH.

b. [H⁺] awal = 10^-5,6 ≈ 2,51 x 10^-6 M, target = 10^-7 M. Selisih = 2,41 x 10^-6 M. Mol NH₃ = 2,41 x 10^-6 x 100 = 0,000241 mol. Volume = 0,000241 / 0,01 = 0,0241 L.

Soal 6: Pengendalian pH pada Kolam Renang

Kolam renang mengandung asam hipoklorit (HOCl, Ka = 3,5 x 10^-8) dari klorin dengan konsentrasi 0,005 M, menyebabkan pH 6,8. Untuk kenyamanan, pH diatur ke 7,2 dengan NaOH.

1. Apa perubahan spesies kimia yang terjadi saat NaOH ditambahkan ke HOCl?
2. Jika volume kolam 1000 L, hitung massa NaOH (Mr = 40) yang diperlukan (dalam gram).

a. NaOH mengubah HOCl menjadi OCl^-: HOCl + NaOH → NaOCl + H₂O, meningkatkan [OCl^-] dan pH.

b. pH = pKa + log([OCl^-]/[HOCl]), pKa = 7,46, 7,2 = 7,46 + log([OCl^-]/[HOCl]), [OCl^-]/[HOCl] = 0,55. [OCl^-] ≈ 0,00177 M. Mol = 0,00177 x 1000 = 1,77 mol. Massa = 1,77 x 40 = 70,8 g.

Soal 7: Fermentasi Susu Menjadi Yogurt

Fermentasi susu menghasilkan asam laktat (CH₃CH(OH)COOH, Ka = 1,4 x 10^-4) dengan konsentrasi 0,1 M, menyebabkan pH yogurt 4,2. Produsen ingin pH 4,5 dengan menambahkan NaOH.

1. Bagaimana rasio asam laktat dan laktat berubah setelah penambahan NaOH?
2. Tentukan volume larutan NaOH 0,5 M yang dibutuhkan untuk 1 L yogurt (dalam mL).

a. NaOH mengubah CH₃CH(OH)COOH menjadi CH₃CH(OH)COO^-, meningkatkan rasio [laktat]/[asam laktat], sehingga pH naik.

b. pH = pKa + log([laktat]/[asam laktat]), pKa = 3,85, 4,5 = 3,85 + log([laktat]/[asam laktat]), [laktat]/[asam laktat] = 4,47. [laktat] ≈ 0,0818 M. Volume = 0,0818 / 0,5 x 1000 = 163,6 mL.

Soal 8: Penyediaan Larutan Buffer Laboratorium

Seorang peneliti membuat larutan buffer dengan mencampur 0,2 M HCN (Ka = 4,9 x 10^-10) dan 0,15 M NaCN dalam 1 L larutan.

1. Apa fungsi utama kombinasi HCN dan NaCN dalam larutan ini?
2. Prediksikan pH larutan buffer yang dihasilkan.

a. HCN dan NaCN membentuk buffer yang menahan perubahan pH dengan kesetimbangan: HCN ⇌ H⁺ + CN^-.

b. pH = pKa + log([CN^-]/[HCN]), pKa = 9,31, pH = 9,31 + log(0,15/0,2) ≈ 9,19.

Soal 9: Pengolahan Air Boiler

Air boiler mengandung HCO₃^- 0,05 M yang terdekomposisi saat dipanaskan: 2HCO₃^- → CO₃^2- + H₂O + CO₂. (Ka₂ CO₃^2- = 4,7 x 10^-11).

1. Apa dampak pemanasan terhadap konsentrasi ion dalam larutan?
2. Tentukan pH akhir setelah proses pemanasan selesai.

a. Pemanasan menguraikan HCO₃^- menjadi CO₃^2- dan CO₂ (keluar sebagai gas), meningkatkan [CO₃^2-] dan pH.

b. [CO₃^2-] = 0,05/2 = 0,025 M. pH = 14 - pKb + log[CO₃^2-], pKa₂ = 10,33, pH ≈ 10,7.

Soal 10: Penyesuaian pH pada Sabun Cair

Sabun cair mengandung asam lemak (RCOOH, Ka = 1,3 x 10^-5) 0,08 M dengan pH 5,0. Produsen ingin pH 5,5 dengan NaOH.

1. Bagaimana penambahan NaOH memengaruhi sifat kimia sabun cair?
2. Berapa mol NaOH yang dibutuhkan untuk 500 mL sabun cair?

a. NaOH mengubah RCOOH menjadi RCOO^-, meningkatkan pH dan sifat deterjen sabun.

b. pH = pKa + log([RCOO^-]/[RCOOH]), pKa = 4,89, 5,5 = 4,89 + log([RCOO^-]/[RCOOH]), [RCOO^-] ≈ 0,0643 M. Mol = 0,0643 x 0,5 = 0,03215 mol.

Soal 11: Pengaturan pH pada Proses Pembuatan Kertas

Dalam pembuatan kertas, larutan pemutih mengandung asam perklorat (HClO₄, asam kuat) dengan konsentrasi 0,001 M, menghasilkan pH 3,0. Untuk proses optimal, pH dinaikkan ke 5,0 dengan larutan KOH.

1. Apa efek KOH terhadap keasaman larutan pemutih?
2. Jika volume larutan 200 L, hitung massa KOH (Mr = 56) yang diperlukan (dalam kg).

a. KOH menetralkan HClO₄, mengurangi [H⁺]: HClO₄ + KOH → KClO₄ + H₂O, meningkatkan pH.

b. Selisih [H⁺] = 0,001 - 0,00001 = 0,00099 M. Mol KOH = 0,00099 x 200 = 0,198 mol. Massa = 0,198 x 56 = 11,088 g = 0,0111 kg.

Soal 12: Pengendalian pH pada Akuarium Laut

Air akuarium laut mengandung buffer H₂CO₃/HCO₃^- (Ka₁ = 4,3 x 10^-7) dengan [H₂CO₃] = 0,002 M dan [HCO₃^-] = 0,01 M.

1. Bagaimana buffer ini merespons penambahan asam kuat seperti HCl?
2. Hitung perubahan pH jika 0,001 mol HCl ditambahkan ke 1 L air akuarium.

a. HCO₃^- menetralkan H⁺ dari HCl menjadi H₂CO₃, menahan penurunan pH.

b. pH awal = 6,37 + log(0,01/0,002) ≈ 7,07. HCl 0,001 M: [HCO₃^-] = 0,009 M, [H₂CO₃] = 0,003 M. pH = 6,37 + log(0,009/0,003) ≈ 6,85.

Soal 13: Pengolahan Air Minum dengan Kapur

Air sungai dengan pH 4,5 (akibat asam nitrat, HNO₃, konsentrasi 0,000032 M) akan dinetralkan ke pH 7,0 dengan CaCO₃ untuk air minum. Volume air 1000 L.

1. Apa produk sampingan dari reaksi CaCO₃ dengan HNO₃?
2. Berapa massa CaCO₃ (Mr = 100) yang diperlukan untuk menetralkan 1000 L air (dalam gram)?

a. Produk sampingan: Ca(NO₃)₂, H₂O, dan CO₂ (gas): 2HNO₃ + CaCO₃ → Ca(NO₃)₂ + H₂O + CO₂.

b. Mol HNO₃ = 0,000032 x 1000 = 0,032 mol. Mol CaCO₃ = 0,032/2 = 0,016 mol. Massa = 0,016 x 100 = 1,6 g.

Soal 14: Pengaturan pH pada Proses Fotografi

Larutan pengembang foto mengandung asam borat (H₃BO₃, Ka = 5,8 x 10^-10) 0,05 M. Untuk kualitas optimal, pH harus 9,0 dengan penambahan NaOH.

1. Bagaimana NaOH memengaruhi kapasitas buffer larutan ini?
2. Tentukan rasio [H₂BO₃^-]/[H₃BO₃] pada pH target.

a. NaOH meningkatkan [H₂BO₃^-], membentuk buffer dengan H₃BO₃, meningkatkan kapasitas buffer terhadap asam.

b. pH = pKa + log([H₂BO₃^-]/[H₃BO₃]), pKa = 9,24, 9,0 = 9,24 + log(ratio), ratio = 10^-0,24 ≈ 0,575.

Soal 15: Pengendalian pH pada Budidaya Jamur

Media tumbuh jamur mengandung asam sitrat (C₆H₈O₇, Ka₁ = 7,4 x 10^-4) 0,04 M dengan pH 3,5. Untuk pertumbuhan optimal, pH dinaikkan ke 4,0 dengan NaOH.

1. Apa peran NaOH dalam mengoptimalkan kondisi pertumbuhan jamur?
2. Hitung persentase asam sitrat yang terionisasi pada pH 4,0.

a. NaOH menetralkan asam sitrat, meningkatkan pH ke rentang optimal untuk enzim jamur.

b. pH = pKa + log([sitrat]/[asam sitrat]), pKa = 3,13, 4,0 = 3,13 + log(ratio), ratio = 7,41. Persentase = (7,41/[1+7,41]) x 100 ≈ 88,1%.

Soal 16: Pengaturan pH pada Produksi Sirup Buah

Sirup buah mengandung asam sitrat (C₆H₈O₇, Ka₁ = 7,4 x 10^-4) dengan konsentrasi 0,06 M, menghasilkan pH 3,2. Produsen ingin menaikkan pH menjadi 3,8 menggunakan NaOH.

1. Bagaimana NaOH memengaruhi cita rasa sirup melalui perubahan pH?
2. Tentukan massa NaOH (Mr = 40) untuk 10 L sirup (dalam gram).

a. NaOH mengurangi keasaman asam sitrat, menyeimbangkan rasa asam-manis pada pH 3,8.

b. pH = pKa + log([sitrat]/[asam sitrat]), pKa = 3,13, 3,8 = 3,13 + log(ratio), [sitrat] ≈ 0,0495 M. Mol = 0,0495 x 10 = 0,495 mol. Massa = 0,495 x 40 = 19,8 g.

Soal 17: Penetralan Limbah Pertanian dari Pupuk

Limbah irigasi dari lahan pertanian mengandung asam fosfat (H₃PO_{4DESUB>, Ka1 = 7,5 x 10^-3) dengan konsentrasi 0,015 M dan pH 2,5. Untuk aman dibuang ke sungai, pH dinaikkan ke 6,0 dengan Ca(OH)2.}

1. Apa risiko lingkungan jika limbah tidak dinetralkan sebelum dibuang?
2. Berapa mol Ca(OH)₂ yang dibutuhkan untuk 100 L limbah?

a. pH rendah (2,5) dapat mengasamkan sungai, membahayakan biota akuatik.

b. pH 6,0: [H₂PO₄^-] ≈ 0,015 M. Mol Ca(OH)₂ = (0,015 x 100) / 2 = 0,75 mol.

Soal 18: Pengendalian pH pada Proses Pembuatan Keju

Proses pembuatan keju menghasilkan asam propionat (CH₃CH₂COOH, Ka = 1,3 x 10^-5) dengan konsentrasi 0,07 M dan pH 4,8. Untuk tekstur optimal, pH dinaikkan ke 5,2 dengan NaOH.

1. Bagaimana pH memengaruhi tekstur keju dalam proses ini?
2. Tentukan volume larutan NaOH 0,1 M untuk 2 L keju (dalam L).

a. pH 5,2 meningkatkan kelarutan protein, menghasilkan tekstur lebih lembut.

b. pH = pKa + log([propionat]/[asam propionat]), pKa = 4,89, [propionat] ≈ 0,0469 M. Mol = 0,0469 x 2 = 0,0938 mol. Volume = 0,0938 / 0,1 = 0,938 L.

Soal 19: Penyesuaian pH pada Larutan Penyemprot Pestisida

Larutan pestisida mengandung asam format (HCOOH, Ka = 1,8 x 10^-4) dengan konsentrasi 0,03 M dan pH 3,9. Untuk efektivitas optimal, pH dinaikkan ke 4,5 dengan NH₃ (Kb = 1,8 x 10^-5).

1. Bagaimana NH₃ meningkatkan efektivitas pestisida?
2. Berapa massa NH₃ (Mr = 17) untuk 5 L larutan (dalam gram)?

a. NH₃ menaikkan pH, meningkatkan penetrasi pestisida ke sel tanaman.

b. pH = pKa + log([HCOO^-]/[HCOOH]), pKa = 3,74, [HCOO^-] ≈ 0,0256 M. Mol = 0,0256 x 5 = 0,128 mol. Massa = 0,128 x 17 = 2,176 g.

Soal 20: Pengolahan Air Kolam Budidaya Udang

Air kolam udang mengandung asam sulfida (H₂S, Ka₁ = 9,5 x 10^-8) dengan konsentrasi 0,004 M dan pH 6,5. Untuk kesehatan udang, pH dinaikkan ke 7,5 dengan NaOH.

1. Apa dampak H₂S pada udang jika pH tidak disesuaikan?
2. Prediksikan rasio [HS^-]/[H₂S] pada pH 7,5.

a. H₂S pada pH rendah bersifat toksik, mengganggu respirasi udang.

b. pH = pKa + log([HS^-]/[H₂S]), pKa = 7,02, 7,5 = 7,02 + log(ratio), ratio = 10^0,48 ≈ 3,02.