Semua Bermula dari Kesetimbangan Asam Basa

Larutan penyangga (buffer) adalah larutan yang dapat mempertahankan pH-nya ketika ditambahkan sedikit asam atau basa. Semua rumus yang digunakan untuk menghitung pH larutan penyangga, termasuk yang melibatkan garam terhidrolisis, diturunkan dari prinsip kesetimbangan asam-basa. Kesetimbangan ini melibatkan konstanta disosiasi asam (\(K_a\)) atau basa (\(K_b\)), dan hubungan dengan \(K_w\) (konstanta ionisasi air, \(K_w = 1 \times 10^{-14}\) pada 25°C).

Berikut adalah penjelasan langkah demi langkah, dengan penurunan rumus yang menunjukkan asal-usulnya dari kesetimbangan asam-basa.

1. Larutan Penyangga Asam Lemah dan Garamnya

Contoh: Campuran asam asetat (\(\ce{CH3COOH}\)) dan natrium asetat (\(\ce{CH3COONa}\)). Garam ini terdisosiasi sempurna menjadi \(\ce{Na+}\) dan \(\ce{CH3COO-}\), sementara asam lemah hanya terdisosiasi sebagian.

Reaksi kesetimbangan utama:

\[\ce{CH3COOH <=> H+ + CH3COO-}\]

Konstanta kesetimbangan (\(K_a\)):

\[K_a = \frac{[\ce{H+}][\ce{CH3COO-}]}{[\ce{CH3COOH}]}\]

Dalam larutan penyangga, [\(\ce{CH3COOH}\)] ≈ konsentrasi asam awal, dan [\(\ce{CH3COO-}\)] ≈ konsentrasi garam (karena hidrolisis anion diabaikan jika konsentrasi tinggi).

Penurunan rumus pH:

\[\ce{[H+]} = K_a \times \frac{[\ce{CH3COOH}]}{[\ce{CH3COO-}]}\] \[\ce{pH} = -\log [\ce{H+}] = \ce{p}K_a - \log \left( \frac{[\ce{CH3COOH}]}{[\ce{CH3COO-}]} \right)\] \[\ce{pH} = \ce{p}K_a + \log \left( \frac{[\ce{garam}]}{[\ce{asam}]} \right)\]

Rumus ini langsung berasal dari kesetimbangan asam lemah.

2. Larutan Penyangga Basa Lemah dan Garamnya

Contoh: Amonia (\(\ce{NH3}\)) dan amonium klorida (\(\ce{NH4Cl}\)). Garam terdisosiasi menjadi \(\ce{NH4+}\) dan \(\ce{Cl-}\).

Reaksi kesetimbangan:

\[\ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-}\]

Konstanta kesetimbangan (\(K_b\)):

\[K_b = \frac{[\ce{NH4+}][\ce{OH-}]}{[\ce{NH3}]}\]

Penurunan rumus pOH:

\[\ce{[OH-]} = K_b \times \frac{[\ce{NH3}]}{[\ce{NH4+}]}\] \[\ce{pOH} = \ce{p}K_b + \log \left( \frac{[\ce{garam}]}{[\ce{basa}]} \right)\] \[\ce{pH} = 14 - \ce{pOH}\]

Lagi-lagi, ini dari kesetimbangan basa lemah.

3. Larutan Penyangga dari Garam Terhidrolisis

Garam terhidrolisis adalah garam yang ionnya bereaksi dengan air, menghasilkan ion \(\ce{H+}\) atau \(\ce{OH-}\). Ini juga berasal dari kesetimbangan asam-basa, karena hidrolisis adalah reaksi terbalik dari netralisasi.

a. Garam dari Asam Lemah dan Basa Kuat (Hidrolisis Anion)

Contoh: Natrium asetat (\(\ce{CH3COONa}\)). Anion \(\ce{CH3COO-}\) terhidrolisis:

\[\ce{CH3COO- + H2O <=> CH3COOH + OH-}\]

Konstanta hidrolisis (\(K_h\)):

\[K_h = \frac{[\ce{CH3COOH}][\ce{OH-}]}{[\ce{CH3COO-}]} = \frac{K_w}{K_a}\]

Penurunan pH untuk larutan garam ini (yang bertindak sebagai penyangga lemah):

Asumsikan konsentrasi garam = C, maka pada kesetimbangan: [\(\ce{OH-}\)] ≈ \(\sqrt{K_h \times C}\)

\[\ce{[OH-]} = \sqrt{\frac{K_w}{K_a} \times C}\] \[\ce{pH} = 14 + \frac{1}{2} \log \left( \frac{K_w \times C}{K_a} \right)\]

Ini diturunkan dari kesetimbangan basa konjugat (\(K_b = K_w / K_a\)).

b. Garam dari Basa Lemah dan Asam Kuat (Hidrolisis Kation)

Contoh: Amonium klorida (\(\ce{NH4Cl}\)). Kation \(\ce{NH4+}\) terhidrolisis:

\[\ce{NH4+ <=> NH3 + H+}\]

Konstanta hidrolisis:

\[K_h = \frac{[\ce{NH3}][\ce{H+}]}{[\ce{NH4+}]} = \frac{K_w}{K_b}\]

Penurunan pH:

\[\ce{[H+]} = \sqrt{\frac{K_w}{K_b} \times C}\] \[\ce{pH} = -\frac{1}{2} \log \left( \frac{K_w \times C}{K_b} \right)\]

Sama, dari kesetimbangan asam konjugat (\(K_a = K_w / K_b\)).

c. Garam dari Asam Lemah dan Basa Lemah

Contoh: Amonium asetat (\(\ce{NH4CH3COO}\)). Kedua ion terhidrolisis:

\[\ce{CH3COO- + H2O <=> CH3COOH + OH-}\] \[\ce{NH4+ <=> NH3 + H+}\]

pH aproksimasi: Jika \(K_a \approx K_b\), pH ≈ 7. Jika tidak, gunakan rumus yang melibatkan keduanya:

\[\ce{[H+]} = \sqrt{\frac{K_a \times K_w}{K_b}}\]

Semua ini masih dari kesetimbangan asam-basa ganda.

Kesimpulan

Semua rumus penurunan untuk larutan penyangga, termasuk yang melibatkan garam terhidrolisis, berasal dari reaksi kesetimbangan asam-basa. Tidak ada rumus yang berdiri sendiri; semuanya diturunkan menggunakan \(K_a\), \(K_b\), dan \(K_w\), dengan asumsi kesetimbangan dan konservasi massa.